Czterdzieści lat minęło - Voyager I i II, najwięksi podróżnicy naszych czasów

Pamiętacie polski serial Czterdziestolatek? Tytułowy czterdziestolatek, inż. Karwowski, zmaga się z kryzysem wieku średniego, choć czterdzieści lat to tak naprawdę dopiero początek prawdziwej przygody dla ciekawego świata człowieka. Właśnie ciekawość była motywem, który przyświecał twórcom sond Pioneer wystrzelonych w Kosmos we wczesnych latach 70. XX wieku, a potem bliźniaczych sond Voyager I i II, które opuściły Ziemię we wrześniu i sierpniu 1977 roku. W tym roku mija 40 lat od początku tej misji.

W filmie s-f, Star Trek: The Motion Picture, kapitan Kirk i załoga Enterprise napotykają niezwykły pojazd, który zdąża ku trzeciej planecie Układu Słonecznego. Początkowo wiedzą tylko, że to V’Ger, ale ostatecznie odkrywają prawdziwe imię - Voyager VI. Tak naprawdę nie udało się wystrzelić Voyagera VI i mało prawdopodobne jest, by Voyager I lub II natrafiły na swojej drodze na fenomen natury, które przeniesie je daleko, daleko od Słońca. Mało też prawdopodobne, by sondy działały dłużej niż przez kolejną dekadę - szacowane zapasy energii wystarczą na pracę sondy i łączność z ziemią do około 2025 roku.

Scena z filmu Star Trek: The Motion Picture

Najwięksi podróżnicy ostatnich kilkudziesięciu lat

W skali kosmicznej Voyagery nie dotarły bardzo daleko, choć dla człowieka to niewyobrażalne odległości. Numer I, który szybko oddala się od płaszczyzny Układu Słonecznego (płaszczyzny, blisko której znajdują się orbity planet) dotarł do granicy heliopauzy (opuścił najdalsze rubieże Układu Słonecznego). Numer II na swojej trasie napotkał więcej obiektów, nie przekroczył ostatecznie granicy heliopauzy, ale też porusza się znacznie bliżej płaszczyzny Układu Słonecznego.

Voyagera I i Voyagera II można, oprócz sond Pioneer, zaliczyć do największych podróżników XX i XXI wieku. Tak jak w epoce odkryć geograficznych człowiek na statkach przemierzał oceany w poszukiwaniu nowych lądów, tak ludzka myśl w postaci obwodów i konstrukcji Voyagerów odkrywa nieznane.

Kierunki w jakich udały się poszczególne sondy Voyager i wcześniejsze Pioneery. Centryczne okręgi to orbity począwszy od Wenus do Plutona (nachylona mocno orbita) 

Celem sond Voyager I i II były badania gazowych olbrzymów. Numer I miał przyjrzeć się Jowiszowi i Saturnowi, w tym jego księżycowi Tytan, a numer II po pomyślnych obserwacjach tych dwóch planet, również Uranowi i Neptunowi. To dzięki tym sondom udało się uzyskać pierwsze prawdziwie wysokiej jakości obrazy tych planet, a w przypadku Urana i Neptuna jedyne wykonane z bliska. W początkach misji Voyager mieliśmy jeszcze jedną pełnoprawną planetę - Plutona. Niestety orbita sond nie pozwalała na odwiedzenie tego ciała niebieskiego. Uczynił to dopiero New Horizons w 2014 roku, który też za dwa lata ma nadzieję spotkać inny odległy obiekt.

Voyager I po odwiedzeniu Saturna wykorzystał jego grawitację, która wyrzuciła go z płaszczyzny Układu Słonecznego. Sygnał radiowy z odległości ponad 20 miliardów kilometrów, w jakiej znajduje się sonda, dociera na Ziemię po ponad 19 godzinach. Voyager II prowadzi obecnie obserwacje zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego (zwanych płaszczem) i znajduje się w odległości około 17 miliardów kilometrów od Słońca - ponad 15 godzin świetlnych.

Najszybszy pojazd zbudowany przez człowieka

Dla wyobrażenia sobie jak duża to odległość i jak szybki jest Voyager I porównajmy to z lotem na Księżyc. Voyager przebył drogę porównywalną z około 52000 dystansami Ziemia Księżyc. Gdyby leciał z taką samą prędkością jak pojazdy Apollo, to teoretycznie osiągnąłby swoją pozycję dopiero po ponad 700 latach. W praktyce coś takiego nie mogłoby się wydarzyć, gdyż nie miałby prędkości pozwalającej oderwać się od grawitacji Słońca.

Start Voyagera I (po lewej) i Voyagera II w 1977 roku

Prędkość Voyagera I wynosi około 17 km/s i maleje, ale już znacznie wolniej niż kiedyś - z taką prędkością, odległość Ziemia-Księżyc pokonuje w niespełna 7 godzin. Uzyskał on ją nie tyle dzięki potężnej rakiecie Titan IIIE-Centaur, ale asystom grawitacyjnym Jowisza i Saturna, które pozwoliły mu odzyskać pęd jaki utracił oddalając się od Słońca. Jest najszybszym obecnie pojazdem (maksymalna prędkość jaką osiągnął wynosiła 35 km/s) jaki zbudował człowiek, szybszym też od sondy New Horizons.

Wyzwanie na miarę nowoczesnych lat 70. XX wieku

Lata 70. to nie tylko wojna w Wietnamie, afera Watergate czy rozwijająca się Solidarność i rządy Edwarda Gierka w Polsce. W skali globalnej te nadzieje najbardziej odzwierciedlał rozwój technologii, w tym komputerowych, naukowcy snuli ambitne plany podboju Księżyca i dalszych planet Układu Słonecznego jeszcze przed końcem XX wieku, a kinematografia była pełna wizjonerskich produkcji pokazujących jak dużo już potrafi świat nauki.

To właśnie w tych czasach powstały sondy Voyager I i II, choć jak na tamtą epokę nie wszystkie ich elementy były najbardziej zaawansowanymi. Sonda była bardzo skomplikowana, ale mimo iż znana była już technologia CCD, zdecydowano się w przypadku obserwacji wizualnych użyć dotychczas stosowanej i jeszcze szeroko rozpowszechnionej w kamerach telewizyjnych technologii widikonowej. Niemniej rozdzielczość sensora Voyagera - 800 x 800 pikseli, wcale nie była taka mała.

Słynne zdjęcie Wielkiej Czerwonej Plamy na Jowiszu, które wykonał Voyager I, robi wrażenie nawet dziś

Wrażenie robią także warunki w jakich wykonano zdjęcia pierścieni Neptuna i Urana. Można je porównać do bardzo ciemnego pomieszczenia oświetlonego przez dogasającą świeczkę.

W roku 1977 rynek komputerowy dopiero odczuwał delikatny oddech zbliżającej się rewolucji pod nazwą PC, w roku 2017 w naszych kieszeniach nosimy sprzęt, który mógłby aspirować do miana superkomputera w tamtych czasach. Podobnie byłoby w przypadku Voyagera, zbudowany z pomocą dzisiejszej technologii byłby znacznie mniejszym pojazdem.

Mniejszym nie znaczy, że jego misja byłaby równie udana. W przypadku sukcesu dzisiejsza wersja Voyagera zarejestrowałaby dużo dokładniejsze dane. Jednak to, że upłynęło 60 lat od wysłania Sputnika 1 na orbitę Ziemi, nie oznacza, że dziś każda misja ma 100% szanse powodzenia. Wręcz przeciwnie, nadal każdy projekt związany z wysłaniem sondy z dala od Ziemi obarczony jest wielkim ryzykiem. Powodzenie misji może być wynikiem dobrej pracy inżynierów, ale też po części wynikiem zbiegu okoliczności, szczęścia podczas rozwiązywania napotkanych problemów. Przykładem jest misja Galileo, której sukces w obliczu porażki to zasługa postępu w technologiach komunikacyjnych już po wysłaniu sondy w kierunku Jowisza.

Voyager przygotowany do umieszczenia w luku transportowym. Instrumenty na wysięgnikach rozłożyły się dopiero na orbicie.

Bo to komunikacja jest tym co sprawiało/sprawia największy problem - i niejednokrotnie dzięki rozwojowi technologii przesyłania i kompresji danych udawało się odwrócić losy prawie skazanej na porażkę misji. Tak stało się w przypadku sondy Galileo, a wiele lat wcześniej również w przypadku Voyagera II - awaria miała miejsce na szczęście w fazie lotu międzyplanetarnego (niespełna rok po starcie) i był czas na znalezienie rozwiązania, co zajęło i tak kilka miesięcy.

Niesamowite szczęście Voyagera

Nie można zapomnieć także szczęśliwego zbiegu okoliczności jaki towarzyszył planowaniu misji. Zapewne wiecie, że na Marsa nie możemy sobie polecieć ot tak w dowolnym momencie i wrócić. Przynajmniej przy rozsądnych nakładach energetycznych. Misje są planowane tak, by wykorzystać specjalne okna, w których położenie planet jest sprzyjające.

Trajektoria lotu Voyagera I i II widziana z góry (orbita Ziemi zaznaczona na niebiesko)

Przyjrzyjmy się trajektoriom Voyagera I i II widzianym z góry. Co zwraca szczególną uwagę to położenie gazowych gigantów. Ich położenie w kolejnych latach idealnie sprzyjało ich wykorzystaniu jako grawitacyjnych proc, ale też umożliwiało w ogóle dotarcie do nich. Gdyby znajdowały się one po przeciwnej stronie swojej orbity, to misja Voyager w takiej postaci w jakiej ją znamy, nie miałaby nigdy miejsca. Albo musiałaby zostać solidnie opóźniona. Nawet o kilkadziesiąt lat - rok na Neptunie trwa 165 ziemskich lat.

Szczęście dopisywało także podczas podejmowania decyzji. Pomysł misji do planet gazowych gigantów rozważany był już od połowy lat 60. XX wieku. Od razu brano pod uwagę redundantność, by zapewnić pomyślne obserwacje w przypadku awarii jednego z pojazdów lub problemów z utrzymaniem trajektorii - tak się zresztą stało, gdy Voyager I nie dał rady zbadać Tytana, na pomoc „pośpieszył” Voyager II.