Исследователи отдела космической динамики и математической обработки информации ИКИ РАН рассчитали сценарий миссии к далекой Седне — карликовой планете Солнечной системы, чья орбита находится за орбитой Нептуна. В 2075 году Седна должна пройти свой перигелий — ближайшую к Солнцу точку орбиты. И, похоже, именно у нынешнего человечества есть редкая возможность отправить к этому телу космический аппарат и дождаться результата. В следующий раз планета подойдет так близко к Солнцу лишь через 10 тысяч лет. «Встреча с Седной» может дать нам по-настоящему уникальную информацию о том веществе, из которого строилась наша Солнечная система миллиарды лет назад.

Группа исследователей под руководством Владислава Зубко и Александра Суханова смоделировала сценарий космической миссии по изучению Седны, которую можно было бы отправить в космос в 2029–2037 годах. Статья с анализом возможных траекторий перелёта опубликована в журнале Advances in Space Research и доступна в архиве электронных препринтов arXiv.org.

Седна, карликовая планета Солнечной системы, находится в так называемой области рассеянного диска между поясом Койпера и внутренней границей облака Оорта. Её открыли в 2003 году, когда планета находилась на расстоянии примерно 80 астрономических единиц от Солнца (одна астрономическая единица, а.е. — это среднее расстояние от Земли до Солнца, чуть меньше 150 миллионов километров).

Диаметр Седны оценивается приблизительно в 1000 км (это примерно в два раза меньше, чем у Плутона). Особенность Седны — исключительно вытянутая орбита, полный оборот по которой занимает более 10 тысяч лет. В афелии, самой дальней от Солнца точке своей орбиты, Седна уходит от него на расстояние около 1000 а.е., а в перигелии приближается «всего» на 76 а.е. Для сравнения, у Плутона те же параметры составляют 49,3 а.е. и 29,5 а.е.

Сейчас Седна приближается к перигелию. И хотя расстояние до неё остаётся огромным, но всё-таки человечеству уже под силу отправить туда космический аппарат, причем результатов такой миссии могут дождаться не только потомки её разработчиков.

Исследователи из ИКИ РАН в качестве отправной точки взяли запуск миссии в период 2029–2037 годов и оценили, сколько времени может потребоваться, чтобы достичь Седны.

Вообще, Седна ещё довольно долго будет находиться в пределах достижимости с Земли, так что теоретически отправиться в экспедицию можно в любой год. Но на практике для того, чтобы достичь планеты «прямым путём», требуется либо набрать огромную скорость — за пределами существующих возможностей, либо лететь очень долго — больше ста лет.

Орбита Седны в области перигелия. Голубым обозначена орбита Нептуна. Кадр из визуализации SSD JPL NASA

В межпланетных полётах, чтобы решить проблему набора нужной скорости, часто используются так называемые гравитационные маневры. Проходя вблизи больших планет, космический аппарат как бы «заимствует» часть их орбитальной энергии и меняет свою скорость и направление полёта так, как нужно создателям. В результате гравитационного маневра можно набрать требуемую скорость, расходуя очень мало топлива. Но подобные схемы накладывают сильные ограничения на время старта — планеты должны находиться в «правильной» конфигурации.

Исследуя сценарий миссии, Владислав Зубко, Александр Суханов и их коллеги поставили ограничения на скорость, которую требуется развить аппарату, а также на общее время полета — он не должен занять более 50 лет. Они рассмотрели несколько схем гравитационных маневров с использованием Венеры, Земли, Юпитера, Сатурна и Нептуна. Для каждого сценария оценивалась прибавка к скорости, которую может получить аппарат при пролетах, и время, за которое он достигнет конечной цели — Седны.

Оказалось, что наиболее «благоприятен» для старта 2029 год: при разумных ограничениях на общие затраты топлива и облётах Венеры, Земли и Юпитера время полёта до Седны может составить менее 18 лет. При тех же ограничениях и старте миссии в 2031 и 2034 годах наименьшее время полёта к Седне составит соответственно 26 и 23 года. Старт в 2034 году предоставляет еще одну возможность: в дополнение к облётам Венеры, Земли и Юпитера может быть использован облёт Нептуна на близком расстоянии. Однако это приведёт к уменьшению общих затрат топлива лишь при продолжительности полёта не менее 27 лет. Запуски же в 2033, 2036 и 2037 годах оказались энергетически менее выгодны.

Один из сценариев миссии. Старт аппарата 29 октября 2029 года, прибытие к Седне 25 октября 2059 года. Предусмотрены гравитационные маневры у Венеры, Земли, Юпитера, а также одно включение двигателей для изменения орбиты во время движения. Изображение из статьи V.A.Zubko, A.A.Sukhanov et al, 2021

Но возможный сценарий миссии определяется не только скоростью и затратами топлива, приходится учитывать и многие другие факторы. Например, при пролете вблизи Юпитера его мощные радиационные пояса могут повредить бортовую электронику, поэтому необходимо либо снабдить аппарат дополнительной радиационной защитой, либо обеспечить пролёт Юпитера на достаточно большом расстоянии.

Сценарий миссии не предусматривает выхода на орбиту вокруг Седны — это потребовало бы недопустимо больших затрат топлива. Аппарат пролетит вблизи карликовой планеты подобно зонду «Новые горизонты», пролетевшему мимо Плутона в 2015 году и исследовавшему эту планету с пролетной траектории. Кстати, похожим же образом, с пролетной траектории была исследована комета Галлея в 1986 году — в том числе, советскими аппаратами «Вега».

Направляясь к Седне, аппарат также может сблизиться с некоторыми астероидами из Главного пояса и попутно исследовать их. В числе кандидатов для сближения оказались такие крупные астероиды как (20) Массалия (145,5 км в диаметре) и (16) Психея (253,2 км), их пролет возможен при запуске соответственно в 2029 и 2034 годах.

Карликовые планеты и другие объекты за пределами орбиты Нептуна — далекие, холодные и практически не известные нам миры. Полёт к таким небесным телам может принести много ценнейших сведений о прошлом Солнечной системы, поскольку, как предполагается, такие объекты содержат «первородное» вещество, из которого она образовалась. И Седна, как один из наиболее крупных из известных сегодня транснептуновых объектов, вызывает особый интерес ученых. А следующего визита Седны в область, доступную для наблюдений с Земли, придётся ждать больше 10 тысяч лет.