Program Voyager - od 1977 do nieskończoności

Pierwotnym celem bezzałogowego programu Voyager było zbadanie dwóch największych planet Układu Słonecznego - Jowisza i Saturna. W tym celu wysłano w przestrzeń kosmiczną sondy Voyager 1 oraz Voyager 2. Nie dość, że obiekty wypełniły swoje zadanie, to jeden z nich dokonał przełomowego i historycznego dla ludzkości osiągnięcia - dotarł do przestrzeni międzygwiezdnej, czyli - innymi słowy - opuścił Układ Słoneczny.

Sonda Voyager 1 została wyniesiona w przestrzeń kosmiczną 5 września 1977 roku na pokładzie rakiety nośnej Titan IIIE-Centaur. Voyager II opuścił Ziemię nieco wcześniej, bo 20 sierpnia tego samego roku. Pierwsza misja obu statków polegała na zbadaniu dwóch gazowych olbrzymów - Jowisza oraz Saturna - i obejmowała m.in. analizę ich atmosfery, określenie masy, kształtu czy rozmiaru.

Statki zgromadziły wiele cennych informacji także na temat księżyców obu planet. Badania Jowisza zakończyły się w 1979, a Saturna w 1981 roku. Voyager 2 udał się następnie w kierunku Urana (1986) i Neptuna (1989). Przelot obok drugiej z wymienionych planet zakończył eksplorację ciał niebieskich. Głównym celem przedłużonego programu Voyager - przemianowanego w 1990 roku na Voyager Interstellar Mission - stało się badanie krańcowych obszarów heliosfery i dotarcie do przestrzeni międzygwiezdnej.

Sonda Voyager 1 pozostawała na "zbadanym" obszarze do 17 lutego 1998 roku. Tego dnia oddaliła się od Słońca na rekordową odległość 69,4 j.a., gdzie skrót "j.a." to jednostka astronomiczna - używana w astronomii jednostka odległości wynosząca dokładnie 149 597 870 700 m, co odpowiada dystansowi, jaki dzieli Ziemię od Słońca.

Kolejny ważny przełom w misji nastąpił 16 grudnia 2004 roku, kiedy Voyager 1 przekroczył granicę szoku końcowego heliosfery - rejonu otaczającego Układ Słoneczny, w którym wiatr słoneczny zwalnia do prędkości mniejszej od prędkości dźwięku. Osiągnięciu tej przestrzeni towarzyszy powstanie fali uderzeniowej. Z tym samym zjawiskiem sonda Voyager 2 zetknęła się 3 lata później, a więc w 2007 roku.

Stamtąd statki kosmiczne NASA przeszły w obszar dzielący szok końcowy i heliopauzę, tzw. płaszcz Układu Słonecznego, którego odległość od Słońca wynosi 80-100 j.a. Naukowcy nie wiedzieli, jaka jest jego grubość, ale słusznie podejrzewali, że pokonanie go może trwać latami, a w tym czasie statek oddali się od Słońca o kolejne kilkadziesiąt j.a.

Kolejne lata upłynęły pod znakiem wyczekiwania i sporów, czy Voyager 1 osiągnął już przestrzeń międzygwiezdną. Jednak pierwsze poważne przesłanki pozwalające sądzić, że tak się stało, pojawiły się w 2012 roku - 28 lipca i 15 sierpnia. Były to chwilowe zmiany liczby rejestrowanych cząstek. Wartości spadły wówczas z 25 do zaledwie 8-10 cząstek niskoenergetycznych na sekundę.

Najbardziej istotna okazała się obserwacja z 26 sierpnia 2012 roku, kiedy wspomniane wartości spadły do 2 cząstek na sekundę i pozostały na takim poziomie.

NASA zinterpretowała to zjawisko jako wejście statku na tzw. magnetyczną autostradę. Tam aparatura zaczęła wychwytywać coraz więcej promieniowania, które nie pochodziło od Słońca. Ostatecznie nowe badania z wykorzystaniem superkomputerów udowodniły, że Voyager znajduje się w przestrzeni międzygwiezdnej od ponad roku. Badacze podejrzewają, że pozostanie tam przynajmniej 10 lat.

W ten sposób misja, która rozpoczęła się w 1977 roku, trwa. Skonstruowany wówczas Voyager 1 pokonał monstrualną odległość wynoszącą ponad 19 mld km. Obie sondy przesłały w tym czasie prawie 600 GB danych i 100 tys. zdjęć. W czym tkwi sekret tych niezwykłych maszyn?

Oba statki są mają identyczną budowę i ważą dokładnie 722 kg. Centralnie umieszczony zbiornik z hydrazyną - paliwem - otacza kadłub w kształcie dziesięciobocznego pierścienia o średnicy 1,78 m. Do jego górnej powierzchni przymocowane są trzy wysięgniki z aparaturą oraz antena. Wyposażenie każdego ze statków obejmuje 10 instrumentów naukowych, w tym spektrometry, fotopolarymetr, detektory plazmy i cząstek naładowanych oraz magnetometry.

Za produkcję energii odpowiadają trzy radioizotopowe generatory - każdy zawiera 4,5 kg plutonu. Jednostki nie będą jednak działały wiecznie, z biegiem lat ilość dostarczanej im energii maleje. To zmusza naukowców do wyłączania kolejnych systemów i instrumentów pokładowych.

Na pokładach obu sond kosmicznych znalazło się miejsce również dla elementu, który nie ma związku z ich funkcjonowaniem czy prowadzonymi badaniami. Chodzi o tzw. Voyager Golden Record, czyli pozłacane dyski zawierające dźwięki i obrazy. Dzięki nim obce cywilizacje będą mogły dowiedzieć się, jak wygląda życie na Ziemi.

Na ich odwrotnej stronie NASA umieściła instrukcję odtworzenia zapisanych materiałów. Dla przykładu: symbol promieniującego atomu wodoru obrazuje jednostkę czasu - przejście wodoru z jednego stanu w drugi trwa 0,7 nanosekundy. Inny rysunek przedstawia położenie Układu Słonecznego względem 14 pulsarów.

Sondy Voyager zostały skonstruowane w taki sposób, aby uzyskać maksymalną autonomiczność sterowania. Udało się to osiągnąć dzięki trzem połączonym ze sobą systemom. Na każdy z nich składają się dwa komputery - główny i zapasowy.

Główne komputery sterujące noszą nazwę Computer Command Subsystem (CCS) i są odpowiedzialne m.in. za pracę instrumentów pokładowych i utrzymywanie łączności z Ziemią. Za kontrolę położenia i manewry odpowiada Attitude and Articulation Control Subsystem (AACS), natomiast Flight Data Subsystem (FDS) nadzoruje instrumenty naukowe, koduje i kompresuje dane.

Czy komputery z pokładów sond można w ogóle porównać do wykorzystywanych przez nas np. smartfonów? "Podzespoły w tych statkach mają 270 tys. razy mniej pamięci i nie ma w nich jednostki, którą obecnie określamy mianem procesora" - wyjaśniają przedstawiciele NASA.

Trudno sobie wyobrazić, że skonstruowane w latach 70. XX wieku komputery wciąż działają. Dodatkowym destrukcyjnym czynnikiem jest środowisko, w jakim poruszają się sondy. Wiadomo bowiem, że aparatura pozostająca w przestrzeni kosmicznej jest bardzo narażona na uszkodzenia i usterki. Z biegiem lat elektronika spisuje się coraz gorzej, a przetwarzane przez nią informacje obarczone są coraz większymi błędami.  

Voyager Interstellar Mission trwa. Inżynierowie NASA chcą, aby wszystkie działające obecnie systemy spełniały swoją rolę do 2020 roku. Przez 5 kolejnych lat będą one stopniowo wyłączane. Z punktu widzenia technologicznego śledzenie misji będzie możliwe do 2036 roku. Później sondy przestaną wysyłać w kierunku Ziemi sygnały, a tym samym staną się dla nas  niewidoczne.

Nie zmieni się jednak ich obecna prędkość, która wynosi 61 tys. km/h. Innymi słowy, sondy Voyager 1 i Voyager 2 wciąż będą zmierzać w ustalonym przez NASA kierunku.

"Voyager 1 zmierza w kierunku gwiazdozbioru Wężownika. W roku 40 272 zbliży się do gwiazdy AC+79 3888 z gwiazdozbioru Małej Niedźwiedzicy na odległość 1,7 roku świetlnego" - oświadczyli przedstawiciele NASA.