Пять искусственных спутников, которые следят за вселенной
4 октября 1957 года на околоземную орбиту был выведен первый в мире искусственный спутник Земли. Так началась космическая эра в истории человечества. С тех пор искусственные спутники исправно помогают изучать космические тела нашей галактики
Искусственные спутники Земли (ИСЗ)
В 1957 году СССР первыми запустили спутник на околоземную орбиту. Вторыми это сделали США, год спустя. Потом уже многие страны запускали свои спутники на орбиту Земли — правда, для этого зачастую использовались спутники, купленные в тех же СССР, США или Китае. Сейчас спутники запускаются даже радиолюбителями. Однако у многих ИСЗ есть важные задачи: астрономические спутники исследуют галактику и космические объекты, биоспутники помогают проводить научные эксперименты над живыми организмами в космосе, метеорологические ИСЗ позволяют предсказывать погоду и наблюдать за климатом Земли, а задачи навигационных и спутников связи ясны из их названия. Спутники могут находиться на орбите от нескольких часов до нескольких лет: так, пилотируемые космические корабли могут стать краткосрочным искусственным спутником, а космическая станция — долговременным космическим кораблем на орбите Земли. Всего с 1957 года было запущено более 5800 спутников, 3100 из них по-прежнему в космосе, однако работают из этих трех тысяч лишь около одной тысячи.
Искусственные спутники Луны (ИСЛ)
ИСЛ в свое время очень помогли в изучении Луны: выходя на ее орбиту, спутники фотографировали лунную поверхность в высоком разрешении и отправляли снимки на Землю. Кроме того, по изменению траектории спутников можно было сделать выводы о поле тяготения Луны, особенности ее формы и внутреннего строения. Здесь Советский Союз вновь опередил всех: в 1966 году первой на лунную орбиту вышла советская автоматическая станция «Луна-10». А за последующие три года было запущено еще 5 советских спутников серии «Луна» и 5 американских — серии «Лунар орбитер».
Искусственные спутники Солнца
Любопытно, что до 1970-ых годов искусственные спутники появлялись у Солнца… по ошибке. Первым таким спутником стал «Луна-1», промахнувшийся мимо Луны и вышедший на орбиту Солнца. И это при том, что перейти на гелиоцентрическую орбиту не так просто: аппарат должен набрать вторую космическую скорость, не превысив при этом третьей. А сближаясь с планетами, аппарат может замедлиться и стать спутником планеты, или ускориться и вовсе покинуть солнечную систему. Но вот спутники NASA, вращающиеся вокруг Солнца вблизи земной орбиты, стали выполнять детальные измерения параметров солнечного ветра. Японский спутник около десяти лет наблюдал за Солнцем в рентгеновском диапазоне — до 2001 года. Россия запустила солнечный спутник в 2009 году: «Коронас-Фотон» будет исследовать наиболее динамичные солнечные процессы и круглосуточно наблюдать за солнечной активностью, чтобы прогнозировать геомагнитные возмущения.
Искусственные спутники Марса (ИСМ)
Первыми искусственными спутниками Марса стали… сразу три ИСМ. Два космических зонда выпустил СССР («Марс-2» и «Марс-3») и еще один — США («Маринер-9»). Но дело не в том, что запуск проходил «наперегонки» и произошла така янакладка: у каждого из этих спутников была своя задача. Все три ИСМ были выведены на существенно разные эллиптические орбиты и выполняли разные научные исследования, дополняя друг друга. «Маринер-9» производил схемку поверхности Марса для картографирования, а советские спутники изучали характеристики планеты: обтекание Марса солнечным ветром, ионосферу и атмосферу, рельеф, распределение температуры, количество паров воды в атмосфере и прочие данные. К тому же, «Марс-3» первым в мире произвел мягкую посадку на поверхность Марса.
Искусственные спутники Венеры (ИСВ)
Первыми ИСВ вновь стали советские космические аппараты. «Венера-9» и «Венера-10» вышли на орбиту в 1975 году. Достигнув планеты. Они разделились на спутники и спускаемые на планету аппараты. Благодаря радиолокации ИСВ ученые смогли получить радиоизображения с высокой степенью детализации, а мягко опустившиеся на поверхность Венеры аппараты сделали первые в мире фотографии поверхности другой планеты… Третьим спутником стал американский «Пионер-Венера-1» — его запустили спустя три года.
Источник
НАСА опубликовало четыре концепта маленьких спутников для исследования развития галактик и экзопланет
НАСА представило несколько концепций миссий малых спутников. Спутники будут изучать эволюцию галактик, исследовать экзопланеты и искать гамма-лучи от слияния нейтронных звезд.
Концепции спутников разработаны в рамках новой программы НАСА «Пионеры». Всего их четыре — «Аспера», «Пандора», «СтарБерст» и ПУЭО.
«Аспера» — малый спутник, который будет изучать эволюцию галактик. Он будет исследовать горячий газ в межгалактической среде (пространствах между галактик) ультрафиолетом. Как отмечают в НАСА, межгалактическая среда — главный компонент Вселенной, плохо поддающийся измерениям; Aspera восполнит этот пробел. Главным исследователем проекта стал Карлос Варгас из Аризонского университета.
Спутник «Пандора» будет изучать 20 звезд и их 39 экзопланет в видимом и инфракрасном свете. Цель этого проекта — понять, как изменения звездного света влияют на экзопланеты. В дальнейшем это поможет в поисках пригодных для жизни планет за пределами Солнечной системы. Главный исследователь — Элиза Кинтана из Центра космических полетов имени Годдарда.
Следующим спутником программы стал «СтарБерст». Он займется поиском гамма-лучей от слияния нейтронных звезд. В процессе таких слияний образуется большинство тяжелых металлов, таких как золото и платина. Слияния звезд регистрируются в том числе обсерваториями на Земле, однако StarBurst сможет находить их чаще — до 10 в год. Главный исследователь проекта — Дэниел Кочевски из Центра космических полетов им. Джорджа Маршалла.
Наконец, ПУЭО представляет собой спутник, который запустят на воздушном шаре из Антарктиды. ПУЭО будет искать сигналы от нейтрино сверхвысоких энергий. Эти частицы, поясняют в НАСА, содержат ключи к разгадке таких астрофизических процессов, как появление черных дыр и слияние нейтронных звезд.
«Нейтрино беспрепятственно путешествуют по Вселенной, неся информацию о событиях за миллиарды световых лет. ПУЭО будет самым чувствительным исследованием космических нейтрино сверхвысоких энергий, которое когда-либо проводилось», — заявляют в агентстве. Главный исследователь проекта — Эбигейл Вирегг из Чикагского университета.
Пока что проекты существуют только в виде концепций, и нет гарантии, что они будут реализованы. Программа «Пионеры» создана для того, чтобы помочь молодым исследователям проводить эксперименты, но только до тех пор, пока стоимость миссии не превышает $20 млн. Как поясняют в НАСА, низкая цена частично обеспечивается процветающей индустрией малых спутников, что позволяет исследователям приобретать готовые космические аппараты. Кроме того, исследователи могут использовать телескопы, разработанные другими государственными учреждениями, а не начинать с нуля.
Сама программа является экспериментальной для агентства. НАСА еще никогда не разрабатывало миссий по таким низким ценам и с такими жесткими ограничениями. Некоторые из концепций при дальнейшем изучении могут потребовать большего бюджета, а это означает, что в конечном итоге они не будут одобрены для полета по программе.
Источник
5 самых дальних космических аппаратов, направляющихся за пределы Солнечной системы, где они сегодня?
Ближайшая к Солнцу звезда — Проксима Центавра, примерно в 4,22 световых года от нас. Например, Плутон находится всего в 0,00079 световых годах от нас, то есть примерно в 33 астрономических единицах. В этой статье мы будем двигаться в астрономических единицах (AU) , русское обозначение: а.е. где одна а.е. — это расстояние от Земли до Солнца. Всего пять зондов, отправленных с Земли, достигли орбиты Плутона. В этой статье я познакомлю вас с этими самыми далекими рукотворными устройствами, которые стремительно движутся к границам Солнечной системы. Данные обновлены на февраль 2021 года.
Новые горизонты — 50 а.е.
Новые горизонты — единственный удаленный космический аппарат, запущенный в этом столетии (2006 г.), облетевший Плутон в 2015 г. и MU69 в начале 2019 г. В настоящее время (февраль 2021 г.) находится примерно в 50 а.е. от Земли. Космический корабль «Новые горизонты» покинул гравитационное поле Земли с самой высокой скоростью в истории, а также стал самым быстро движущимся искусственным телом вокруг Земли.
Пионер 11 — 105,5 а.е.
Четвертым по удаленности искусственным объектом в космосе является космический корабль «Пионер-11» , запущенный в апреле 1973 года. После орбиты Юпитера он стал первым искусственным спутником, достигшим Сатурна в 1979 году. Затем «Пионер-11» направился к звезде в созвездии Орла, находящейся на расстоянии 125 световых лет от нас. В феврале 2021 года зонд находится на расстоянии более 105 а.е. от Земли
Вояджер-2 — 127 а.е.
В 1977 году он отправился в путешествие к внешним планетам солнечной системы. «Вояджер-2» , также известной как «Маринер-12». Космический корабль исследовал 4 планеты и стал единственным человеческим устройством, посетившим Нептун и Уран — с тех пор никто не мог добраться до этих планет. Он не направляется к какой-либо конкретной звезде, но должен пролететь примерно в 4 световых годах от Сириуса.
Пионер 10 — 127 а.е.
Идентичный космическому кораблю Пионер 11, он также был запущен в 1973 году и имел аналогичные цели, но после облета Юпитера и Сатурна он направился в противоположном направлении. Сегодня Пионер 10 является вторым по удаленности рукотворным объектом во Вселенной и направляется к звезде Альдебарран в созвездии Тельца. Он должен достичь её через 2 миллиона лет при последней известной скорости. Последняя связь со спутником состоялся 22—23 января 2003 года.
Вояджер 1 — 152 а.е.
Вояджер-1 начал свое путешествие в сентябре 1977 года, разогнавшись до 61 000 километров в час после гравитационной помощи планет Юпитера и Сатурна, и стал самым быстро движущимся искусственным объектом на сегодняшний день. Сегодня это также самый далекий объект и постоянно собирает новую информацию о внешних слоях Солнечной системы. Космический корабль «Вояджер-1» также стал первым космическим аппаратом, покинувшим Солнечную систему, и теперь исследует межзвездное пространство.
Концепция будущего
Это пять послов человечества , которые покидают Солнечную систему в соседние миры. Ни один из зондов не достигнет их раньше, чем через сотни тысяч лет, и в настоящее время в разработке нет другого космического зонда, который должен был бы нацелиться на край Солнечной системы. Недавно появилась концепция космической миссии Trident , которая может облететь Нептун в 2038 году и направиться дальше к краю Солнечной системы.
В настоящее время разрабатываются концепции , с помощью которых космические зонды могли бы посещать соседние звезды, при нашей жизни. Одним из них является проект Breakthrough Starshot , в котором будут использоваться лазеры и солнечный парусник для отправки микрозонда к соседней звезде Альфа Центавра. Этот проект все еще находится в зачаточном состоянии, в настоящее время отдельные компоненты предлагаемой концепции все еще проходят проверку.
Технологические разработки постоянно развиваются , и постоянно появляются новые оригинальные концепции о том, как достичь звезд. В ближайшие годы нам определенно есть на что рассчитывать, когда речь идет о путешествиях за пределы Солнечной системы.
Пишите ваши комментарии, если статья была интересна подписывайтесь на канал , жмите палец вверх.
Источник
Квантовая криптография в космосе или Что внутри китайского спутника?
16 августа ракета «Великий поход-2» вывела на орбиту китайский спутник QSS. Перед ним стоит революционная задача: реализовать схему квантового распределения ключа между Пекином и Веной, на расстоянии более 7000 километров. Сегодняшний рассказ – о деталях этой миссии и подобных экспериментах в прошлом и будущем.
Линии квантовой криптографии, впервые появившиеся под Женевой, сегодня успешно растут по всему миру. К сожалению, пока что их длина не превышает пары сотен километров, и причина этого весьма банальна: поглощение света в оптоволокне. Именно эта проблема стимулировала работы по квантовой криптографии по воздуху, а теперь – и в космосе: в вакууме проблема затухания света попросту отсутствует.
Идея вывести квантовые коммуникации на орбитальный уровень не нова, но путь к ее реализации оказался долог. Прежде всего, нужно было убедиться, что это реально сделать хотя бы в воздухе. Наиболее примечательным оказался эксперимент 2007 года на Канарских островах, где ключ распределяли между Ла Пальма и Тенерифе (расстояние между ними 144 км).
Попутно удалось убедиться, что флуктуации атмосферы мешают, но не сильно. А еще стало понятно, что в роли приемника обязательно нужно использовать телескоп: он большой и в него легче «прицелиться».
Следующий вопрос: а реально ли вообще послать одиночный фотон в космос, или он потеряется по дороге? Проверялось это при помощи телескопа на юге Италии: слабый импульс света посылался через него на спутник-отражатель, который возвращал свет обратно в тот же телескоп. Оставалось посчитать процент вернувшихся фотонов – он оказался маленьким, но вполне адекватным для практических применений.
Спутники-отражатели: LAGEOS на уголковых отражателях (NASA, 1976) и BLITS на линзе Люнеберга (Роскосмос, 2009). Их основное назначение – геодезия: уточнение формы Земли, изучение движения тектонических плит.
Еще через пару лет профессор Цзяньвэй Пан из института Хэфея становится самым молодым ученым, избранным в Китайской академию наук. Там он практически в одиночку убеждает руководство начать работу над своей давней мечтой – полноценным спутником для квантовой криптографии. Работы начались в 2011 году и должны были занять пять лет – как мы видим, разработчики оказались на редкость пунктуальны.
Что планируется сделать
Основных задач у спутника три.
1. Квантовое распределение ключей между Пекином и Веной. Перед этим планируется проверить оба канала связи поодиночке: сначала сгенерировать ключ между спутником и Пекином, затем – между спутником и Веной.
Почему именно Вена? Так сложилось исторически: в Вене работает Антон Цайлингер – бывший научный руководитель Пана и один из авторов экспериментов на Канарских островах и в Италии. Если эксперимент пройдет успешно, то следующими в очереди связаться с Пекином могут оказаться телескопы в Германии и Италии.
2. Запутанность на огромных расстояниях. В этом эксперименте планируется сгенерировать на спутнике два запутанных фотона и отправить их на Землю: один – на юг Китая, другой – в Тибет. Если после такого полета запутанность сохранится (а расстояние между телескопами – свыше тысячи километров), то этот эксперимент не только побьет все существующие рекорды, но и проложит дорогу для распределения ключа при помощи запутанных частиц.
3. Квантовая телепортация. Планируется телепортировать квантовое состояние с Земли на спутник. Для этого спутник сгенерирует два запутанных фотона, после чего один из них отправится на Землю. Ну а собственно телепортация получается путем хитрых манипуляций с запутанными фотонами.
Если все задачи будут выполнены успешно, то Пан мечтает о запуске нескольких подобных спутников и зарождении «квантового интернета». А еще о квантовой криптографии между Землей и Луной в рамках китайской лунной программы. Но у китайского государства, по всей видимости, другие планы: они хотели бы использовать квантовую криптографию для безопасного общения с администрацией одного из мятежных регионов на севере Китая.
FAQ по квантовой криптографии
Как передается сообщение по квантовому каналу связи?
Никак. Квантовая связь позволяет Алисе и Бобу сгенерировать секретный ключ, который невозможно перехватить. После этого они шифруют им свои сообщения и отправляют их по классическим каналам связи. Ключ, конечно же, одноразовый: после использования он выкидывается.
Почему ключ невозможно перехватить?
Отвечу нестандартно. Квантовая механика позволяет фотону нести больше одного бита информации. Но в процессе чтения реально прочитать только один бит. Поэтому злоумышленнику надо знать, как именно считать посланную информацию – иначе она будет потеряна.
Важное условие для этого – Алиса всегда должна передавать Бобу ровно один фотон. Если она пошлет два одинаковых фотона, то Ева (злоумышленник) сможет завладеть одним из них, а Боб этого даже не заметит.
То есть лазеек нет в принципе?
Скажем так, физический принцип безупречен. Но лазейки остаются: однофотонные источники иногда посылают по два фотона, детекторы одиночных фотонов можно засветить ярким лучом, переключение вращателей поляризации можно отследить по скачку тока и так далее. Квантовая криптография – это новая Энигма, и реально ли ее взломать, пока непонятно.
Можно ли распределять ключ еще как-нибудь?
С одиночными фотонами работать тяжело. Недавно научились делать то же самое при помощи слабых пучков, хитрым образом меняя их интенсивности. Такие состояния называются decoy states (русского названия не знаю, вероятно, что-то типа имитирующих состояний).
Еще можно генерировать ключ при помощи запутанных фотонов: один остается у Алисы, второй отправляется Бобу. А можно вообще доверить распределение ключа доверенному лицу: он будет генерировать два фотона и отправлять один Алисе, второй – Бобу. У такого способа есть свои преимущества (например, проще проверяется целостность канала связи), но его гораздо сложнее реализовать.
Так, теперь напомни, что такое запутанные частицы.
Берем коробку с парой ботинок и не глядя, наощупь засовываем один ботинок в один мешок, второй – в другой мешок. Мы не знаем, в каком мешке левый ботинок, а в каком – правый. Но мы уверены, что в разных мешках лежат разные ботинки.
То же самое с запутанными частицами. За одним исключением: ботинки сами еще не решили, кто из них левый, а кто – правый. Решается это в момент открывания мешка (то есть измерения частицы).
Космический детектив: что внутри спутника
Неудивительно, что информацию по космической программе Китая найти очень сложно. Информации по QSS тоже крайне мало, и собирать ее пришлось по крупицам. Основным источником оказались научные публикации Пана – в том числе в китайских журналах, которые даже гугл не очень-то индексирует :).
Прежде всего, спутник нужно невероятно точно наводить на наземные телескопы. И телескопы на спутник тоже. Для этого и спутник, и телескоп светят друг на друга зеленым и синим лазером, после чего наводятся на максимум луча партнера. Систему наведения разрабатывали сильно заранее и тестировали в лучших китайских традициях – на воздушном шаре.
Следующий шаг – источник света для квантового распределения ключа. Пропускание атмосферы максимально для длины волны 700 нм (красный цвет), но гораздо проще работать на 850 нм (инфракрасный), так как эта длина волны используется в телекоме. Промышленный лазерный диод, термостабилизацию и обратную связь по интенсивности смонтировали в небольшом корпусе, адаптированном для космоса (я так и не понял, что именно там адаптировано – вероятно, размер):
Диодов всего восемь, у них разные поляризации. Для передачи одного «бита» случайно выбираются диод и интенсивность. Вся оптика нежно утрамбована скомпонована в небольшой корпус. На спутнике этот источник находится в нескольких экземплярах.
Красные круги на левой картинке – это оптоволокно: длины оптических путей от всех диодов должны быть одинаковы, поэтому свет от ближайших к выходу диодов нужно на какое-то время задержать в волокне.
Импульсы посылаются с частотой 100 МГц, но из-за особенностей протокола битрейт составляет всего 574 бит в секунду. Спутник находится в зоне прямой видимости в течение 5.5 минут, поэтому за один пролет можно сгенерировать ключ длиной 120 кбит. Не так уж и плохо.
Да, ключ между Веной и Пекином генерируется за два прохода: на первом пролете спутник создает ключ 1 с Пекином, на втором – ключ 2 с Веной, после этого шифрует ключ 2 ключом 1 и отсылает результат Пекину. Пекин расшифровывает сообщение, узнает ключ 2 и с его помощью общается с Веной.
Для экспериментов с запутанностью и телепортированием нужен источник запутанных фотонов. Что-то похожее уже делала команда из Сингапура: для этого берется нелинейный кристалл, в котором свет лазера с длиной волны 405 нм расщепляется на пары запутанных фотонов с длиной волны 810 нм. Оба фотона отсылаются на два наземных телескопа, где происходит их детектирование.
Источник запутанных фотонов – в середине. Чтобы телескопы не пропустили запутанный фотон, одновременно с ним на них посылается короткий лазерный импульс на другой длине волны, 1064 нм. Тестировали все это на том же озере, на котором запускали воздушные шары.
Ну и, наконец, сам спутник. Здесь все в лучших традициях китайской космонавтики: реально найти несколько фотографий в сборочном цехе (как на КДПВ) и вот такую схемку, из которой, честно говоря, мало что понятно:
Уже сейчас у спутника три названия: QSS (Quantum Science Satellite), QUESS (Quantum Experiments at Space Scale) и Mozi (в честь древнекитайского философа Мо-Цзы). Весит он 500 кг, запущен на 500-км орбиту. Ожидаемый срок жизни – два года.
В остальном мире
Кроме безусловных фаворитов из Китая, в квантово-космической гонке участвуют коллективы еще из несколько стран:
Сингапур. Именно они запустили на орбиту первый источник запутанных фотонов. Получилось, к сожалению, только со второго раза, о чем я недавно рассказывал.
Канада. Коллаборация из Ватерлоо и Торонто предлагает оставить источник фотонов на Земле, а в космос запустить только детектор. В результате микроспутник, пролетая сначала над Алисой, а потом над Бобом, сможет по очереди сгенерировать с обоими по ключу:
после чего поможет им выработать общий ключ. Так как передатчик находится на Земле, то на спутнике придется установить 40-сантиметровый телескоп:
и детектор с четырьмя каналами для разных поляризаций:
На сегодняшний день уже закончена разработка детекторов и системы наведения (забавное видео), а сам спутник под названием QEYSSat должен отправиться в полет через 3-5 лет.
Италия. Самое простое решение предложили в университете Падуи: и источник фотонов, и детектор предлагают оставить на Земле, а связь между ними реализовать через зеркало, расположенное на спутнике. До воплощения идеи в жизнь еще не дошло, поэтому авторы отрабатывают технологию на спутниках-отражателях. Например, в прошлом году они посылали на спутник фотоны-кубиты, после чего смогли успешно их прочитать.
Недостаток спутников с зеркалом легко понять из старого-доброго правила «угол падения равен углу отражения»: если зеркало выставлено с погрешностью к падающему лучу, то такая же погрешность будет и в отраженном. Как результат, зеркало придется выставлять со вдвое большей точностью, что достаточно непросто.
И снова Австрия. В космосе уже есть целая лаборатория с прекрасными условиями для экспериментов и замечательными сотрудниками на борту. А еще в ней есть модуль «Купол» с огромными панорамными окнами. Почему бы не попробовать детектировать фотоны прямо через одно из этих окон? Единственным минусом оказывается то, что прямая видимость между центральным окном «Купола» и любой точкой на Земле длится не более 70 секунд. Хотя для простых экспериментов этого будет достаточно.
Вероятно, за одним из этих предложений — будущее. Но до них еще далеко. А пока что будем ждать новостей от QSS.
Источник