Посмотрите вверх. Где-то там, за пределами нашей Солнечной системы, в 400 веках полета до ближайшей звезды, зонд посылает нам радиосигнал. Он слаб, его энергия всего 22 ватта — как пара светодиодных лампочек. А его источник — Вояджер-1. Его 4-метровая антенна до сих пор посылает сигналы домой.
Да, получение информации с зонда — не такая и сложная задача для высокотехнологических «ушей» на Земле. Послания с Вояджеров принимают три 21-этажные тарелки, каждая диаметром 70 метров и весом почти 3000 тонн. Они расположены равномерно по всему земному шару и сконструированы специально для прослушивания глубокого космоса, и они без проблем собирают ежедневные отчеты о состоянии зондов.
Одна из этих тарелок, получившая название DSS-14, возвышается над пустыней Мохаве в Южной Калифорнии, примерно в 100 километрах от ближайшего шоссе. Она располагается в небольшой долине между низкими Скалистыми горами — остатками давно умерших вулканов. Попасть туда не так просто — нужно пройти два уровня безопасности на военной базе Форт-Ирвин.
Там вас обрадуют, что местность вокруг не самая дружелюбная: встречаются неразорвавшиеся боеприпасы, три вида гремучих змеи, верблюжьи пауки, скорпионы и стаи диких ослов, которые имеют привычку скакать галопом и откусывать куски от ничего не подозревающих посетителей.
Вояджер.
В Форт-Ирвинском комплексе, который Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) назвала Голдстоуном в честь давно заброшенного шахтерского городка, также находится около дюжины небольших тарелок, первая из которых заработала еще в 1958 году и участвовала в получении сигнала с «Аполлонов», а теперь не используется и медленно заносится песком.
Есть аналогичные комлексы в Австралии, недалеко от Канберры, и в Робледо-де-Чавела, недалеко от Мадрида, которые были созданы в 1960-ых годах вместе с DSS-14. С момента запуска миссии Mercury IV в 1964 году эти три массива обеспечивают связь со многими зондами, которые мы отправили выше низкой околоземной орбиты.
Эти три гигантские тарелки были построены на своих местах не просто так. Они отстоят друг от друга ровно на 120 градусов долготы, что дает полный охват всей Земли. К тому же они достаточно сильно удалены от цивилизации, чтобы земная коммуникация — например, переговоры пилотов и диспетчеров — не мешали приему сигналов из космоса.
Эти три комплекса и их антенны объединены в сеть Deep Space Network, которая управляется из штаб-квартиры JPL недалеко от Пасадены, штат Калифорния. Система постоянно принимает сигналы и посылает команды примерно 40 зондам, космическим аппаратам, спутникам и марсоходам. Некоторые из них достаточно близки — на орбите Луны.
Другие существенно дальше — например, Юнона летает вокруг Юпитера, а зонд «Новые горизонты» в середине 2015 года был рядом с Плутоном. И, конечно же, оба Вояджера, которые были запущены в 1977 году для изучения Юпитера и Сатурна. Это самые старые и самые далекие миссии, которые кто-либо на Земле еще контролирует.
Послания с двух Вояджеров дают представление о разреженном межзвездном пространстве и позволяют наблюдать за низкоэнергетическими заряженными частицами, магнитными полями и плазмой, которая составляет большую часть нашей Вселенной. Данные передаются со скоростью всего 160 бит в секунду — сейчас сложно описать, насколько это медленно. Но именно они помогли физикам сделать такие вещи, как очертить контуры гелиосферы — магнитного пузыря, который окружает нашу Солнечную систему — и определить скорость солнечного ветра.
В то время, когда НАСА экспериментирует с более быстрыми системами связи на основе лазеров, можно предположить, что радиосвязь исчезнет. Но одно никогда не заменит другого. Сигналы от Вояджеров проходят через всю Солнечную систему, и шум, который к ним примешивается, когда они проходят мимо планет, лун и астероидов, также несет полезную информацию. В некоторых случаях он даже важнее самого сообщения.
Но вернемся в Лабораторию реактивного движения, вернее в одно ее помещение — так называемую Темную комнату, на полу которой находится табличка с надписью «Центр Вселенной», а освещается они лишь тусклым светом десятков мониторов. Именно здесь ведется управление сетью Deep Space с самого начала ее существования, и даже случившийся несколько лет назад пожар не остановил работу: инженеры подключились к терминалам удаленно и продолжили получать сигналы из космоса.
Каждая смена состоит из двух людей. Они следят не только за сетью, но и за спутниками и зондами. «Это их работа — добывать информацию о космическом корабле: температуру, количество топлива, что включено, что выключено — и отправлять ее в центр управления миссии», — говорит Майк Левеск, главный управляющий сети Deep Space. «На Вояджере-1, например, из 160 битов только около 10 имеют отношение к происходящему на борту корабля».
Остальные пакеты данных отправляются в другие места, в основном ученым, а не инженерам. Именно они разбираются в том, что приборы говорят нам о пространстве вокруг зонда, а не о самом зонде.
Основная работа каждой смены — это декодировать полученные сигналы, «очищая» важные данные от шума. Но не всегда, временами помехи также представляют интерес. Поскольку сигнал распространяется через любую среду, зачастую попадая в атмосферы или гравитационные поля планет, он несет в себе информацию и о них. «Когда сигнал от корабля движется через что-то интересное, шумовые данные будут включить информацию об этом», — говорит Левеск. В такие моменты «шум в сигнале оказывается научными данными».
Когда это происходит, данные передаются Камалю Удрири, который возглавляет кафедру радиотехнических наук в JPL. По его словам, чтобы понять, чем он занимается, полезно представить себе школьный автобус, полный детей. Единственная цель водителя — безопасно довести всех детей. Но что, если сам автобус тоже представляет интерес?
Школьники в этой аналогии — данные, а автобус — сигнал. Ученых, как и водителя, в основном заботит сохранность детей. Но только не радиофизиков: тем зачастую интересен автобус. По пыли на нем можно определить, через какие места он проезжал. А по оставшемуся в баке бензину — сколько проехал. Удрири как раз и занимается такими «исследованиями автобусов».
Причем многие из ранних радиофизических экспериментов были случайными. Еще в 1971 году, когда зонд Маринер-9 пролетал мимо Марса, сигнал от него прошел через атмосферу Красной планеты, и та изменила его. «Инженеры видели в этом лишь помеху, но некоторые ученые поняли, что если изучить этот шум, то можно определить плотность, давление и даже температуру атмосферы Марса», — продолжает Удрири. «Это было началом радио исследований космоса».
С тех пор внимательное изучение космического шума улучшило наше понимание Солнечной системы. Помехи в передачах от зонда Кассини, например, помогли выявить, что красочные кольца Сатурна сформировались гораздо позже, чем сама планета — от 10 до 100 миллионов лет назад, против 4.5 миллиардов, как считалось раньше.
Лунная миссия НАСА GRAIL в 2012 году включала два корабля, которые обменивались радиосигналами друг с другом, чтобы получить информацию о внутренней части Луны. Изучение того, как гравитация нашего спутника мешала передачам, помогло доказать, что большая часть коры нашего спутника не такая плотна, как мы думали ранее.
Удрири любит радиофизику за ее простоту. Сигнал — это волна с амплитудой (максимумы и минимумы), фазой (характер этих пиков и впадин) и частотой (количество этих провалов и всплесков в данном временном диапазоне). Искажения в них легко заметить, если вы знаете, как должен выглядеть теоретический сигнал.
Космический шум от Вояджеров всегда содержит один жизненно важный элемент радионауки. По мере того, как оба корабля продолжают свой полет на скорости в полсотни тысяч километров в час дальше в глубокий космос, акустическое явление, известное как эффект Доплера, слегка растягивает длину волны сигнала от него. По этой же причине меняется тон в завывании сирены, когда мимо вас проносится скорая помощь.
Измерение этого искажения говорит наземной команде, как далеко Вояджер пролетел за то время, пока сигнал от него 20 часов шел к Земле. Это также помогает инженерам на земле продолжать прокладывать курс межзвездного зонда. И, поскольку они знают его траекторию, они легко рассчитывают, как нужно повернуть гигантские антенны, чтобы вновь услышать его.
Теперь, когда оба Вояджера завершили свои основные миссию, новая цель — «растянуть их оставшиеся ресурсы на как можно больший срок», — говорит Сюзанна Додд, руководитель проекта «Вояджер» и глава дирекции межпланетных сетей в JPL.
Сейчас основные команды, которые передаются этим зондам, направлены на управление оставшейся у них мощностью. На данный момент все резервные системы уже отключены. Это означает, что оба корабля производят очень мало тепла в экстремальном межзвездном холоде, поэтому гидразин в топливных линиях может замерзнуть.
Центр управления полетами перебирает системы, пытаясь найти то, что стоило бы оставить включенным с единственной целью — согреть топливные шланги. И это, к счастью, пока еще можно сделать, пока старые бортовые компьютеры Вояджеров все еще работают.
И это одна из причин, по которой инженерам не до изучения шума. Фернандо Перальте, занимающийся космическими системами, тщательно изучает сообщения, которые отправляют Вояджеры — он как раз заботится о детях в пресловутом автобусе Удрири. Его волнуют любые искажения в получаемых сигналах.
«Когда мы получаем сигнал, и я вижу, что он с помехами, я сразу же задаю вопрос — почему?», — говорит Перальте. «Это может быть связано с общим состоянием космического корабля — или просто быть следствием того, что сегодня облачный день. Для нас слишком много шума — это катастрофа».
Помехи также влияют на уникальный «звуковой ландшафт», который эти зонды могут записывать. Вояджер-1 имеет на борту цифровой восьмидорожечный магнитофон для записи плазменных волн, флуктуирующих ионов и электронов, создающих своего рода электрическую музыку за пределами Солнечной системы.
Он все еще работает (отчасти потому, что выделяет достаточно тепла, чтобы держать топливопроводы размороженными) и захватывает 48 секунд окружающего звукового шума три раза в неделю. Когда Вояджер-1 передает эти данные, все активные антенны в Калифорнии или Испании тратят по меньшей мере 4 часа для их получения.
Скоро — через несколько месяцев, может, через несколько лет — эти сеансы связи прекратятся. Температура на Вояджерах упадет настолько, что топливопроводы замерзнут, топливо больше не будет поступать в двигатель, и зонды больше не смогут даже слегка корректировать траекторию полета, чтобы направлять антенны к Земле и поздороваться. Сообщения от них все еще будут лететь сквозь пространство, но уже мимо Земли.
Однако еще до того, как у Вояджера-2 начнутся перебои с топливом, команда скорее всего завершит эту миссию. Из-за траектории полета зонда, которая опускается ниже плоскости Солнечной системы, только тарелка в Австралии сможет принимать сигнал от него. Однако эта антенна не будет работать почти год, поскольку НАСА оснащает ее тестовыми массивами зеркал и оптических датчиков для того, чтобы дополнить радиосвязь светом.
Позволяя зонду лететь самостоятельно в течение 10 месяцев, тем самым скорее всего обрекая его на гибель, агентство делает стратегическую жертву: прекращение работы с Вояджер-2 позволит будущим космическим зондам «звонить домой» с австралийской тарелки с куда лучшей скоростью и качеством.
В течение десятилетий НАСА экспериментировало с расширением своей сети Deep Space, используя световые импульсы от лазеров, которые могут передавать на порядки больше данных и требуют более простых приемников сигнала. Этому есть несколько причин.
Темная комната в JPL.
Во-первых, пространство становится переполненным земными радиосигналами, и все они мешают работе сети Deep Space. Во-вторых, поскольку мы продолжаем исследовать такие места, как Марс, нам нужно будет передавать видео в высоком качестве за терпимое время. Так, уже в 2022 году должен будет запущен новый зонд NASA, цель которого — изучение астероидов. И он будет одним из первых, кто получит установку для оптической связи.
Но у света есть свои пределы. Например, любая облачность уже является серьезным препятствием для оптической связи, когда для радиоволн это лишь легкая помеха. Но все еще Удрири согласен, что именно оптика — будущее космической связи, добавляя еще один немаловажный аргумент в ее пользу: установка для оптической связи легче, что важно в космосе. При этом радиосвязь никуда не исчезнет из-за своей простоты и большей надежности, и в зондах будущего она будет дублировать менее надежную оптику.
Вот так, казалось бы, вредный шум может много рассказать нам о космосе, сообщив информацию о плотности Луны, возрасте колец Сатурна и о границах Солнечной системы. Даже помехи помогают нам лучше понять наше место во Вселенной, вокруг небольшого голубого мира, на котором мы живем.
