Все новости

В поисках жизни и новой физики. Зачем нужно отправлять новый космический аппарат к Юпитеру

В июне 2022 года в космос отправится аппарат Европейского космического агентства JUICE (JUpiter ICy moons Explorer, «Исследователь ледяных спутников Юпитера»).
Используя притяжение Земли и Венеры, к январю 2030 года он доберется до системы Юпитера, где проведет около трех лет, исследуя сам газовый гигант, а также три из четырех его самых крупных, так называемых Галилеевых, спутника: Европу, Каллисто и Ганимед. Ганимед станет последним пристанищем космического аппарата: когда ресурс будет выработан, JUICE совершит управляемый «полет камикадзе» и врежется в его поверхность.

Что будет искать JUICE в системе Юпитера и как одна маленькая нестыковка может подорвать фундамент современной физики, «Чердаку» рассказал научный руководитель одного из экспериментов JUICE Леонид Гурвиц из Объединенного европейского института радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (JIVE).

— Правильно ли я понимаю, что одна из основных целей запуска JUICE связана с астробиологией?

— Да, поиск истоков жизни — это одна из важнейших тем проекта, все его 11 экспериментов в той или иной степени связаны с ней. Например, с помощью инструментов JUICE будет исследоваться подповерхностная структура спутников, прежде всего Ганимеда, но и остальных тоже. Есть довольно хорошо обоснованное предположение, что под поверхностью Ганимеда, на относительно небольшой глубине, находятся значительные объемы жидкости, очень вероятно — воды. Ну а где вода, там и жизнь.


— Вы руководите экспериментом PRIDE (Planetary Radio Interferometry and Doppler Experiment, «Планетарный радиоинтерферометрический и допплеровский эксперимент»). Что он собой представляет?

— Мы будем наблюдать космический аппарат JUICE, точнее «подслушивать» при помощи радиотелескопов, расположенных на Земле, его радиосигнал, несущий информацию, полученную научными приборами аппарата. Но сама эта информация — не наша, нас интересует сам сигнал, точнее его несущая гармоника как таковая.

Радиотелескопы в Вестерборке, Нидерланды. Фото: Екатерина Боровикова



Нашими методами на удалении Юпитера можно установить поперечные координаты аппарата с точностью в сотни или даже десятки метров. В качестве «бесплатного приложения» мы будем измерять и радиальную скорость аппарата с точностью 15 микрон в секунду.

— Разве это имеет отношение к астробиологии?

— Дело в том, что пристальное наблюдение за движением космического аппарата позволяет оценить с высокой точностью характеристики гравитационного поля, в котором он летит. Поле, в свою очередь, несет данные о породившей его массе и ее распределении (плотности). На основе таких измерений будет проведена диагностика внутреннего строения спутников Юпитера.

От структуры распределения массы спутников буквально один шаг до вывода о том, а что, собственно говоря, она собой представляет: например, твердая это субстанция или жидкость. Некоторые считают, что на спутниках Юпитера под поверхностью находится смесь наподобие мартовского снега, когда он еще не совсем растаял, но уже подтаял и даже плавает в воде. Вот так, измерив координаты космического аппарата, можно приблизиться к ответу на вопрос, может существовать жизнь на спутниках Юпитера или нет.

Есть множество побочных, но полезных применений измерения координат. Например, можно уточнить так называемые эфемериды Юпитера и его спутников. Несколько упрощая, можно сказать, что эфемериды — это видимое положение небесного тела на небесной сфере.

— Но ведь люди с глубокой древности знают, где на небе Юпитер...

— Да, конечно, с некоторой точностью знают, но хочется знать еще точнее. Измерив гравитационное поле Юпитера и его спутников, мы сможем уточнить параметры орбитального движения всех населяющих систему Юпитера небесных тел.

Мы-то знаем, что Юпитер вот там, справа от антенны, но ученым всегда хочется все знать совсем точно. Фото: Dedi Grigoroiu\Shutterstock



Это чисто практическая задача, вообще говоря. Потому что благодаря уточнению эфемерид Юпитера космические аппараты смогут летать в Солнечной системе по все более точным траекториям. Ведь при планировании полетов в Солнечной системе, например в сторону Марса или Сатурна, надо принимать во внимание юпитерианское гравитационное поле: как-никак, Юпитер второй после Солнца «гравитатор» в нашей планетной системе. Без точного знания эфемерид здесь не обойтись.

— А что еще можно узнать благодаря вашему эксперименту?

— Тут можно рассуждать лишь предположительно, но есть такая интересная тема — принцип эквивалентности масс. Масса — это фундаментальная характеристика материи. В быту мы не задумываемся, что это такое, но знаем, что можно купить 200 граммов масла, а можно 400. Более того, мы знаем, что если кинуть, допустим, теннисный мячик, а после этого попробовать бросить тяжелое ядро, ощущения будут разные. В обоих случаях мы имеем дело с массой, но в случае масла это гравитационная масса (мы на самом деле измеряем, с какой силой Земля притягивает кусок масла). А вот когда мы занимаемся легкоатлетическими упражнениями и кидаем мячики и ядра, то мы имеем дело с другой массой, это масса инертная.

Каким-то странным образом эти массы совпадают. Это и есть принцип эквивалентности. Поначалу его воспринимали как истину интуитивно, потом его сформулировали как физический принцип, потом стали ломать голову: а с чего бы это? И наконец, стали проверять: точно ли совпадают эти массы?

— Как же они могут не совпасть?

— Наиболее известный на сегодня эксперимент был проведен примерно 35 лет назад под руководством американского физика Роберта Вессота на космическом аппарате Gravity Probe A.

В принципе, это очень простой эксперимент. Но лишь «в принципе». На борту имелись очень точные часы, лучше сказать, стандарт частоты, который выдавал гармонические колебания чрезвычайно высокий стабильности. Частоту этих колебаний определяли и гравитация, и инерция. Gravity Probe A двигался по очень вытянутой траектории, улетая далеко от Земли, и посылал сигнал, по которому характеристики этого колебания измерялись и в отдалении от Земли, и рядом с ней.

Гравитационная масса «чувствует» притяжение Земли и «реагирует» на его изменение определенным образом. А вот инерционной массе вроде бы должно быть все равно, где ее измеряют, вблизи или вдали от Земли. Будь гравитационная и инертная масса разными, по изменению частоты, генерируемой на борту аппарата, можно было бы выявить их расхождение. Но в эксперименте Gravity Probe A  они совпали с точностью сотой доли процента.

Сейчас обсуждаются эксперименты, в которых будет реализована примерно та же идея, но с более современной аппаратурой. В частности, сейчас делается попытка применения аппаратуры проекта «РадиоАстрон» для эксперимента такого типа. Он называется «эксперимент по гравитационному красному смещению».



«РадиоАстрон» изначально не проектировался для такого рода экспериментов. В проекте JUICE тоже номинально эксперименты по фундаментальной физике не предусматриваются. Но, когда дело дойдет до дела и аппарат будет находиться в окрестностях Юпитера, в зависимости от того, насколько стабильна будет радиоаппаратура JUICE, может, мы и замахнемся на принцип эквивалентности.

Если получится результат 10^, это будет существенное улучшение предыдущих результатов и серьезный научный результат.

— А что будет, если гравитационная и инерциальная масса не сойдутся?

— Теория относительности — это фундаментальная вещь для сегодняшнего представления о материальном мире. Если принцип эквивалентности не подтвердится, то придется ее пересматривать.

В повседневной жизни — можно не беспокоиться — все будет нормально. А вот у фундаментальной физики будут серьезные сложности. Потому что малейшая трещина в фундаменте приводит к тому, что все здание начинает разваливаться.

Придется пересматривать наши представления о том, как устроены фундаментальные процессы взаимодействия материи и полей, разных видов материи, как искривлено пространство — а именно это искривление мы и воспринимаем как гравитацию, по каким законам масса влияет на изменение в пространстве.

В том числе придется переписывать сценарий фильма «Интерстеллар». Потому что картинка, которая там показана, это результат физического моделирования окрестностей черной дыры, основанного на общей теории относительности. Если окажется, что гравитационная масса не эквивалентна инертной, то теория черных дыр должна быть существенно пересмотрена.

Кадр из фильма



Изменения в теории черных дыр приведут к переоценке свойств очень далеких объектов Вселенной. Потребуется изменить и взгляд на процессы звездообразования, которые, в свою очередь, определяют, может или не может у той или иной звезды возникнуть планетная система. А именно это, возвращаясь к астробиологии, определяет, может ли в какой-то звездной системе возникнуть жизнь.

 Екатерина Боровикова