Зачем NASA отправило в космос 400-килограммовый шар, который будет летать миллионы лет

Большинство спутников стараются набить электроникой: камерами, антеннами, компьютерами, солнечными батареями. У LAGEOS-1, запущенного США ещё в 1976 году, нет почти ничего из этого. Он не фотографирует Землю, не принимает команды, не передаёт радиосигнал и даже не имеет источника питания.

Это всего лишь тяжёлый металлический шар диаметром 60 сантиметров, поверхность которого покрыта сотнями стеклянных отражателей. Но спустя полвека он всё ещё нужен учёным — и, вероятно, будет кружить вокруг Земли ещё миллионы лет.
Внутри нет даже батареи.

GEOS расшифровывается как Laser Geodynamics Satellite — «спутник лазерной геодинамики». Его запустили 4 мая 1976 года с базы Ванденберг в Калифорнии.
При довольно скромных размерах аппарат весит около 407 килограммов. Такая масса получилась не случайно: внутри находится тяжёлый латунный сердечник, а внешняя часть сделана из алюминия.

На поверхности расположены 426 уголковых отражателей. Большинство изготовлено из кварцевого стекла, ещё четыре — из германия.

На этом оборудование практически заканчивается.
LAGEOS не нужно включать, заряжать или обновлять. Если через сто лет наземная станция сможет увидеть его и послать достаточно мощный лазерный импульс, спутник будет работать примерно так же, как сегодня.
Что он тогда вообще делает.

Сам аппарат — почти ничего. Работают люди и оборудование на Земле.
Наземная станция посылает короткий лазерный импульс в сторону спутника. Луч попадает на один из отражателей и возвращается почти туда, откуда пришёл.
Остаётся измерить время путешествия света туда и обратно. Поскольку скорость света известна, можно очень точно вычислить расстояние до LAGEOS.
Современные измерения позволяют определять его с погрешностью всего в несколько миллиметров.

Один замер мало что даёт. Но если годами наблюдать спутник из разных точек Земли, становится видно, как относительно друг друга перемещаются сами наземные станции.

А вместе с ними — материки.
Так учёные увидели движение тектонических плит
Континенты движутся всего на несколько сантиметров в год. В обычной жизни такое перемещение невозможно заметить, но для LAGEOS этого достаточно.
Если расстояние между двумя станциями за несколько лет изменилось, можно вычислить скорость движения участков земной коры.

Такие наблюдения помогали уточнять движение тектонических плит, деформации земной коры и перемещения вдоль крупных разломов.

Но этим применение не ограничилось. По орбите LAGEOS измеряют небольшие изменения вращения Земли, положение её центра масс и особенности гравитационного поля. Данные спутника используются и при построении глобальной системы координат, к которой затем привязывают множество других геодезических измерений.

Позже LAGEOS вместе с другими спутниками использовали даже для проверки одного из эффектов общей теории относительности Эйнштейна.
Почему он такой тяжёлый и круглый
Для обычного спутника 400 килограммов при диаметре всего 60 сантиметров выглядят избыточно. Здесь всё наоборот: чем меньше на LAGEOS действуют посторонние силы, тем лучше.

Солнечный свет тоже способен слегка давить на спутник. Остатки атмосферы тормозят аппараты на низких орбитах. На движение влияют магнитное поле, нагрев поверхности и другие слабые эффекты.

Поэтому конструкторы сделали LAGEOS маленьким, плотным и тяжёлым. У него очень большая масса относительно площади поверхности.
Шарообразная форма тоже удобна. Неважно, какой стороной спутник повернулся к Земле: отражатели распределены почти по всей поверхности, а сама форма остаётся одинаковой в любом направлении.
Получилась не столько космическая машина, сколько очень стабильная летающая точка отсчёта.

Почему он не упадёт через несколько десятилетий
Многие спутники работают на высотах в несколько сотен километров. Там сохраняются крайне разреженные остатки атмосферы, которые понемногу тормозят аппарат. Орбита снижается, и в конце концов спутник входит в плотные слои атмосферы.

LAGEOS отправили намного выше — примерно на 5860 километров над поверхностью Земли.
Здесь атмосферное торможение ничтожно мало. Орбиту специально выбрали так, чтобы она оставалась стабильной чрезвычайно долго.

NASA приводит ориентировочную оценку: LAGEOS может вернуться к Земле примерно через 8,4 миллиона лет.
Это не дата, которую можно записать в календарь будущего: на таких временных масштабах расчёт неизбежно приблизительный. Но порядок величины показывает главное — спутник способен пережить практически все созданные человеком сооружения.

Поэтому внутрь положили письмо тем, кто его когда-нибудь найдёт
Конструкторы решили использовать необычное долголетие спутника ещё для одной цели.

Внутри LAGEOS находятся две небольшие пластины из нержавеющей стали с посланием будущему, разработанным астрономом Карлом Саганом.
На них изображены двоичные числа и три карты Земли.
Первая показывает примерное расположение материков сотни миллионов лет назад, вторая — Землю времён запуска LAGEOS, а третья — предполагаемое положение континентов через 8,4 млн лет.
На последней карте спутник возвращается на Землю.
Смысл довольно красивый: если кто-нибудь когда-нибудь найдёт аппарат, положение материков поможет понять, насколько далеко этот момент находится от 1976 года.

Есть ли у LAGEOS срок службы
В привычном смысле — почти нет.
У спутника нечему разрядиться. Нет компьютера, который устареет, двигателя, который израсходует топливо, или антенны, без которой аппарат потеряет связь.
Пока отражатели сохраняются и наземные лазеры способны добраться до спутника, им можно пользоваться.

В 1992 году Италия при участии NASA запустила второй аппарат — LAGEOS-2. Пара похожих спутников дала исследователям ещё больше возможностей для точных измерений.

А первый LAGEOS после 50 лет на орбите остаётся рабочим научным инструментом.
Получился редкий случай, когда долговечность обеспечили не сложностью, а почти полным отсутствием сложности. Чтобы наблюдать движение целой планеты, инженеры отправили в космос тяжёлый зеркальный шар — и сделали его настолько простым, что ломаться в нём практически нечему.