История исследования Урана

Уран – седьмая по удаленности от Солнца планета Солнечной системы. Открыт в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем (William Herschel), но лишь в 1783 году было подтверждено, что обнаруженный объект является планетой, а не кометой, как считалось ранее.

Астроном предложил назвать планету "Георгиева звезда" (в честь короля Великобритании Георга III), однако, чтобы не нарушать традиционной связи с мифологией, было принято название "Уран" в честь греческого бога неба.

Планета находится на расстоянии 19,18 астрономических единиц (2871 миллиона километров) от Солнца и совершает полный оборот вокруг него за 84 земных года.

Уран среди классических планет уникален тем, что плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты на угол 98°. Таким образом, планета вращается вокруг оси как бы лежа на боку. Вследствие этого Уран бывает обращен к Солнцу попеременно то северным полюсом, то южным, то экватором, то средними широтами, а продолжительность дня и ночи на нем значительно превышает осевой период вращения планеты. На широте 30° день и ночь длятся по 14 лет, на широте 60° – по 28 лет, а на полюсах – по 42 года. Направление вращения Урана противоположно направлению движения по орбите и направлению вращения других планет Солнечной системы (кроме Венеры). Он вращается по часовой стрелке, если смотреть сверху.

Теоретическая модель строения Урана такова: его поверхностный слой представляет собой газожидкую оболочку, под которой находится ледяная (смесь водяного и аммиачного льда) мантия, а еще глубже – ядро из твердых пород. Подобно другим планетам-гигантам, атмосфера Урана в основном состоит из водорода, гелия и метана.

У планеты есть слабо выраженная система колец, состоящая из частиц диаметром от нескольких миллиметров до 10 метров. Кольца расположены в пределах 25 тысяч километров от видимой поверхности планеты.

Уран окружен спутниками, орбиты большинства из которых почти совпадают с плоскостью экватора планеты. Спутники Урана движутся не в плоскости его орбиты (как это происходит со спутниками всех других планет), а почти перпендикулярно ей.

До 1986 года было известно только о пяти спутниках планеты.

Исследование Урана затруднено из-за его отдаленности. Различить какие-либо детали на поверхности планеты при наземных наблюдениях с использованием обычных астрономических инструментов практически не удается. Большой объем информации об Уране был получен в 1986 году при сближении с планетой американского космического зонда "Вояджер-2" (Voyager-2). Он стал первым и пока единственным космическим аппаратом, которому удалось максимально близко приблизиться к Урану.

"Вояджер-2" был запущен с космодрома Космического центра им. Кеннеди 20 августа 1977 года ракетой "Титан-Центавр" для исследования планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). В комплект научной аппаратуры космического аппарата входили две телевизионные камеры, магнитометры, спектрометры ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, фотополяриметр, детекторы космического излучения, заряженных частиц и многое другое. Большинство приборов было установлено на специальной штанге, часть из них – на поворотной платформе, смонтированной на конце этой штанги.

Первоначально космический аппарат стартовал к Юпитеру и Сатурну, но затем его миссию продлили, направив к Урану и Нептуну. Для осуществления этого путешествия использовали астрономическое явление, происходившее на рубеже 1970-х и 1980-х годов, когда все планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) удачно расположились в сравнительно узком секторе солнечной системы, что позволило существенно сократить время нахождения в пути космического аппарата. Во время полета "Вояджера-2" были применены гравитационные маневры, использовавшие для изменения траектории полета гравитационное поле планет, которые он достигал. Необходимая для этого энергия заимствовалась у планеты и, по закону сохранения, добавлялась к кинетической энергии аппарата. Изменение направления полета зонда достигалось фактически без затрат топлива.

Воспользовавшись помощью двух планет – Юпитера и Сатурна (каждая из них своим мощным гравитационным полем оказала сильное воздействие на зонд), "Вояджер-2" сделал два крутых левых поворота, прежде чем вышел в расчетную точку встречи с Ураном 24 января 1986 года. Благодаря таким гравитационным маневрам космический аппарат добрался до Урана намного быстрее, чем если бы он преодолевал весь путь лишь на том силовом импульсе, который был им получен при старте с 3емли – это заняло бы около 30 лет.

© NASA/JPL-Caltech

Снимок Урана, полученный космическим аппаратом "Вояджер-2"

Во время следования "Вояджера-2" к Урану ученым и инженерам пришлось решить ряд проблем, связанных с работой аппаратуры на борту станции, удаленной от командного пункта на расстояние в два раза больше запроектированного. Бортовые компьютеры были полностью перепрограммированы; одному из них было задано сжимать видеосигналы для сокращения времени передачи на Землю. Для приема исключительно слабого радиосигнала "Вояджера-2" несколько антенн сети станций слежения в дальнем космосе были электронно объединены в так называемую решетку с целью усиления их приемной мощности.

Космический аппарат по пролетной траектории пересек орбиту Урана. Большинство сведений о планете были получены в течение нескольких часов 24 января 1986 года, пока "Вояджер-2" находился поблизости от нее, пролетая на расстоянии 81,5 тысячи километров от поверхности облаков. Телекамеры, установленные на вращающейся платформе, постоянно вели съемку планеты и спутников, поворачиваясь автоматически по заранее заданной программе. Чтобы зафиксировать изображения Урана и его спутников, получающих мало света из-за большого удаления от Солнца, съемка велась с крайне длительной экспозицией. Для такой съемки станция поворачивалась вместе с телекамерой с открытым затвором вслед планете, словно кинооператор, ведущий панораму за быстро движущимся объектом.

Во время пролета "Вояджера-2" ось вращения Урана, лежащая почти в плоскости его орбиты, была направлена в сторону Солнца, поэтому на полученных фотографиях изображено только южное, освещенное в тот период полушарие планеты.

Космический аппарат передал на Землю тысячи изображений и огромное количество других научных данных о планете, ее спутниках, кольцах, атмосфере, внутреннем пространстве и магнитной среде, окружающей Уран.

Пройдя Уран, "Вояджер-2" был выведен на траекторию полета к планете Нептун, к которой приблизился 25 августа 1989 года. После этого космический аппарат направили к внешней границе Солнечной системы.

В ноябре 2018 года он покинул гелиосферу ("защитный пузырь из частиц и магнитных полей, созданный Солнцем") и вошел в межзвездное пространство на расстоянии 18 миллиардов километров от Земли. Еще год понадобился на то, чтобы собранная об этом информация достигла Земли и была расшифрована специалистами. В настоящее время "Вояджер-2" продолжает работать, наблюдая за Солнцем из межзвездного пространства.

Анализируя снимки Урана, полученные с "Вояджера-2", специалисты увидели, кроме известных ранее пяти спутников планеты, еще 10 неизвестных малых спутников и два новых слабых кольца. Как и у других планет-гигантов, в атмосфере Урана были обнаружены вихри, струйные течения, пятна (но их гораздо меньше), а в глубине ее зарегистрированы метановые облака. Гелия оказалось в три раза меньше, чем предполагалось ранее – всего 15%. Циркуляция атмосферы Урана происходит в высоких широтах с большей скоростью, чем у экватора.

Значения измеренной зондом "Вояджер-2" температуры верхних слоев атмосферы Урана в период, когда зима и лето на полюсах достигли своего максимального развития, оказались практически одинаковыми на обоих полюсах, и на экваторе, несмотря на крайне неравномерное распределение солнечного тепла на планете. Это указывает на наличие какого-то механизма переноса тепла в атмосфере Урана от более нагретых районов к менее нагретым, и наоборот.

Космический аппарат также уточнил размеры Урана – диаметр планеты (по уровню облачного слоя) оказался равным 51,2 тысячи километров, что примерно в четыре раза больше, чем у 3емли. Верхнюю границу атмосферы, мощность которой достигает около 7000-8000 километров, составляют облака.

Измерения "Вояджера-2" позволили выявить, что у планеты магнитные полюса сдвинуты относительно географических на угол в 60 градусов. Это определяет весьма своеобразную форму магнитного поля планеты, линии которого отклоняются от направления солнечного ветра. Они не вытянуты по прямой, как у других планет, а закручены в двойную спираль. В результате магнитное поле Урана весьма нестабильно и имеет причудливую конфигурацию. Существует даже предположение, что оно усиливается ночью и исчезает днем. По полученным от "Вояджера-2" данным, специалисты выяснили, что в определенные времена года, такие как дни зимнего или летнего солнцестояния, магнитное поле Урана выглядит как своеобразный гигантский "рубильник", переключающий положение полюсов планеты каждые 18 неполных часов, ровно через одни сутки. По словам ученых, эти переключения порождают своеобразные "дыры" в магнитном щите планеты-гиганта, рождение которых фиксировал зонд "Вояджер-2". Кроме того, специалисты, проведя анализ с высоким разрешением магнитометрических данных, полученных "Вояджером-2", обнаружили в магнитосфере Урана спиральный пучок плазмы – плазмоид, через который планета теряет свою атмосферу.

Благодаря информации космического аппарата, выяснилось, что период вращения Урана вокруг своей оси составляет 17 часов 14 минут.

Изучение Урана продолжается с помощью наземных и космических телескопов. Начиная с 1997 года, по наблюдениям с Земли были обнаружены еще несколько далеких спутников Урана. В настоящее время в его системе открыто 27 естественных спутников, а также известно о 13 кольцах планеты, суммарная масса которых эквивалентна массе спутника размером 15 километров.

Экспериментируя с микроволновым телескопом ALMA и его оптическим "кузеном" VLT, американские ученые смогли получить первые подробные данные по структуре колец планеты, их составу, массе, плотности и другим свойствам. Кольца Урана оказались крайне необычными по составу и облику – они сложены из очень темных, "горячих" и достаточно крупных фрагментов водяного льда и других замороженных летучих веществ.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников