Aby dowolny obiekt wystrzeliwany z Ziemi wszedł na orbitę wokół niej musi po starcie osiągnąć pierwszą prędkość kosmiczną. Przy określaniu pierwszej prędkości kosmicznej dla danego ciała kluczowa jest masa obiektu, wokół którego satelita ma krążyć. Dla Ziemi jest to 7,91 km/s. Analogicznie, dla dużo mniejszego Księżyca, I prędkość kosmiczna wynosi zaledwie 1,68 km/s.
Jeżeli jednak chcemy polecieć dalej, wyrwać się z objęć grawitacji Ziemi i wyruszyć ku innym planetom, musimy już przejść do drugiej prędkości kosmicznej. Dowolnej sondzie znajdującej się na powierzchni Ziemi należy nadać prędkość 11,19 km/s, aby tor jej ruchu stał się parabolą lub hiperbolą, czyli tzw. krzywą otwartą. Na przestrzeni lat w ten sposób naukowcy wysłali w przestrzeń kosmiczną sondy, które odwiedziły każdą planetę Układu Słonecznego.
Ciekawie robi się jednak dopiero wtedy, kiedy chcemy, aby nasza sonda kosmiczna wyrwała się z objęć grawitacyjnych Słońca i poleciała w przestrzeń międzygwiezdną. Co do zasady na powierzchni Ziemi prędkość niezbędna do wyrwania się z Układu Słonecznego wynosi aż 42 km/s. Warto jednak pamiętać, że Ziemia, krążąc wokół Słońca też ma określoną prędkość. Jeżeli zatem wystrzelimy sondę w kierunku zgodnym z kierunkiem przemieszczania się Ziemi po orbicie wokół Słońca, to wystarczy jej nadać prędkość równą różnicy trzeciej prędkości kosmicznej i prędkości Ziemi wokół Słońca, czyli „jedynie” 16,7 km/s.
Wpadnij na nasz nowy kanał na YouTube
Problem ten można oczywiście skalować dalej. Można wszak mówić także o prędkości niezbędnej do opuszczenia naszej galaktyki, Drogi Mlecznej, ale nie ma ona większego sensu. Po pierwsze, mówimy tu już o prędkości 550 km/s (330 km/s jeżeli uwzględnimy prędkość Układu Słonecznego krążącego wokół centrum galaktyki), a po drugie, do krawędzi galaktyki z Ziemi jest kilkadziesiąt tysięcy lat świetlnych. Zważając zatem na to, że żaden obiekt posiadający masę nigdy nie osiągnie prędkości światła, nawet bardzo futurystyczna sonda przyszłości potrzebowałaby milionów lat na osiągnięcie granic Drogi Mlecznej. Sens wysyłania takiej sondy kosmicznej w podróż wydaje się zatem niewielki.
Przyjrzyjmy się zatem tym sondom, które już wyleciały z Układu Słonecznego, oraz tym, które są już w drodze ku heliosferze.
Pioneer 10
Pioneer 10 to sonda wystrzelona 3 marca 1972 roku z Przylądka Canaveral w podróż do Jowisza. Rakieta Atlas-Centaur nadała jej prędkość 14,35 km/s, dzięki czemu już po 11 godzinach minęła ona Księżyc. Sonda, której głównym elementem jest antena dużego zysku o średnicy niemal trzech metrów jako pierwsza w historii przekroczyła Pas Planetoid, a 3 grudnia 1973 roku przeleciała – także jako pierwsza – w odległości 132 000 km od Jowisza wykonując i przesyłając na Ziemię około 500 zdjęć. Choć początkowo sonda nie osiągnęła trzeciej prędkości kosmicznej, to po bezpiecznym przekroczeniu Pasa Planetoid naukowcy tak zaplanowali trajektorię jej przelotu w pobliżu Jowisza, aby wykorzystać go jako trampolinę grawitacyjną, która pozwoli sondzie osiągnąć prędkość ucieczki z Układu Słonecznego. Nikt wcześniej takiego manewru nie próbował, więc nie było wiadomo, czy z pewnością się uda.
Manewr został wykonany bezbłędnie, dzięki czemu Pioneer 10 przekroczył orbitę Saturna w 1976 roku, trzy lata później przeciął orbitę Urana i w końcu w 1983 orbitę Neptuna. W tym momencie rozpoczęła się podróż ku nieznanemu, ku granicom Układu Słonecznego i dalej. Misję oficjalnie zakończono 31 marca 1997 roku, kiedy oddaliła się ona na odległość 10 miliardów kilometrów od Słońca. Mimo to jeszcze przez ponad pięć lat po tym czasie naukowcy otrzymywali dane telemetryczne z pokładu sondy. Po raz ostatni sygnał z Pioneera 10 dotarł na Ziemię w styczniu 2003 roku. Sonda znajdowała się wtedy 12 miliardów kilometrów od Ziemi.
Mimo tego, że sonda jest już nieaktywna, to nadal przemieszcza się w przestrzeni kosmicznej. Naukowcy szacują, że na początku 2023 roku znajdowała się ona 19,74 mld km od Ziemi. Co ciekawe, już za dwa miesiące 19 lipca 2023 roku Pioneera 10 wyprzedzi sonda Voyager 2. Gdzie na niebie znajduje się Pioneer 10? Sonda zmierza w kierunku najjaśniejszej gwiazdy gwiazdozbioru Byka, czyli Aldebarana. Obliczenia wskazują, że sonda powinna przelecieć w odległości 0,75 roku świetlnego od gwiazdy HIP 117795 za jakieś 90 000 lat. Będzie to zdecydowanie najbliższy przelot jakiejkolwiek sondy wysłanej z Ziemi w pobliżu jakiejkolwiek gwiazdy w ciągu najbliższych kilku milionów lat.
Warto tutaj zauważyć, że choć Pioneer 10 był pierwszą sondą, która osiągnęła prędkość ucieczki z Układu Słonecznego, to jednocześnie będzie ostatnią z całej piątki, której się to uda. Szacunki wskazują, że sonda opuści heliosferę dopiero w 2057 roku. Wynika to z tego, że heliosfera nie ma idealnie sferycznego kształtu i w zależności od obranego kierunku lotu osiągnięcie jej granicy zajmuje mniej lub więcej czasu.
Pioneer 11
Zaledwie rok po starcie nomen omen pionierskiej misji Pioneer 10 z Przylądka Canaveral wystartowała rakieta Atlas-Centaur, niosąca na swoim pokładzie sondę Pioneer 11. W przeciwieństwie do swojego starszego o rok poprzednika sonda miała nie tylko przelecieć przez Pas Planetoid i odwiedzić Jowisza, ale przede wszystkim zbliżyć się do Saturna. Warto jednak wspomnieć, że podczas przelotu w pobliżu Jowisza w grudniu 1974 roku sonda zbliżyła się do planety na odległość niecałych 43 000 km i wykonała fenomenalne zdjęcia Wielkiej Czerwonej Plamy, potężnego antycyklonu, który wieje w chmurach planety od niemal 400 lat.
We wrześniu 1979 roku sonda zbliżyła się do Saturna na odległość 21 000 km. Inżynierowie misji postanowili tak zaprojektować konfigurację przelotu, aby sonda przeleciała przez płaszczyznę pierścieni planety testując trasę, jaką kilka lat później miały obrać sondy Voyager, które w tym czasie już od dwóch lat znajdowały się w przestrzeni kosmicznej.
Tutaj warto wspomnieć, że o mały włos, a misja Pioneera 11 zakończyłaby się katastrofą. W trakcie przelotu w pobliżu Saturna sonda zbliżyła się na niecałe 4000 km do Epimeteusza, jednego z niewielkich księżyców planety. Księżyc ten został odkryty w danych z Pioneera 11 zaledwie jeden dzień wcześniej.
Sonda przekroczyła orbitę Neptuna, ostatniej planety Układu Słonecznego w lutym 1990 roku i rozpoczęła długą podróż w kierunku granicy heliosfery. Ostatni kontakt z sondą nawiązano 30 września 1995 roku, a ostatni sygnał od niej odebrano niecałe dwa miesiące później.
Na początku 2023 roku Pioneer 11 znajdował się w odległości 16,5 mld km od Słońca i kieruje się w stronę gwiazdozbioru Tarczy. Przed aparatem bardzo długa podróż. Naukowcy szacują, że dopiero za 930 000 lat sonda przeleci w pobliżu gwiazdy TYC 992-192-1. Do tego czasu tylko pustka przestrzeni kosmicznej.
Voyager 2
Voyager 2 wbrew nazwie wystartował jako pierwsza z dwóch sond Voyager. Sonda została wyniesiona w przestrzeń kosmiczną na szczycie rakiety Titan III 20 sierpnia 1977 roku. Śmiało można powiedzieć, że była to chyba najbardziej spektakularna misja, jaką dotąd przeprowadzona. Sonda już dwa lata po starcie przeleciała w pobliżu Jowisza, w 1981 roku dosięgnęła Saturna, a w 1986 i 1989 roku odpowiednio jako jedyna w historii odwiedziła odpowiednio Urana i Neptuna. Ponad 45,5 roku od startu sonda wciąż działa i przesyła na Ziemię dane o swoim położeniu. W 2018 roku sonda znajdująca się 18,3 mld km od Słońca opuściła heliosferę i rozpoczęła prawdziwą podróż międzygwiezdną. Obecnie jej odległość od Słońca wynosi 19,89 mld km.
Jak już wyżej wspomniano, w lipcu 2023 roku sonda Voyager 2 wyprzedzi sondę Pioneer 10 i stanie się drugą najodleglejszą sondą od Słońca. W tym momencie jej odległość wyniesie 19,95 mld km. Przyszłość dla sondy maluje się… dość nieciekawie. Kontakt z Voyagerem 2 być może uda się utrzymać do 2027 roku, ale po tym jak sonda umilknie, rozpocznie się niewiarygodnie długa podróż przez przestrzeń kosmiczną. Obecne modele nie przewidują żadnych bliskich przelotów w pobliżu jakiejkolwiek gwiazdy przez najbliższe kilkaset tysięcy lat. Za 300 000 lat sonda przemknie w odległości 4,3 roku świetlnego od Syriusza, ale nie oszukujmy się, w takiej odległości to my właśnie mkniemy obok Proximy Centauri (tyle wynosi odległość między Słońcem a najbliższą jej gwiazdą).
Voyager 1
Dwa tygodnie po starcie sondy Voyager 2 w pościg za bliźniaczką wyruszyła sonda Voyager 1. W przeciwieństwie do niej Voyager 1 nie odwiedził Urana i Neptuna. Po przelocie w pobliżu Saturna i zbadaniu Tytana, jego największego księżyca sonda rozpoczęła podróż ku przestrzeni międzygwiezdnej. Co jednak ważne, sonda osiągnęła największą prędkość spośród całej piątki, wyprzedziła wszystkie pozostałe i obecnie znajduje się 28,81 mld km od Ziemi, co daje jej tytuł najodleglejszego obiektu stworzonego przez człowieka. Warto także zauważyć, że sonda jako pierwsza przekroczyła granicę między heliosferą a przestrzenią międzygwiezdną już 25 sierpnia 2012 roku. Jeżeli przewidywania się sprawdzą, sonda będzie działała jeszcze co najmniej do 2025 roku, a być może uda się wydłużyć jej życie o kilka dodatkowych lat.
Ciekawostka: o tym jak fenomenalnie wykonanym statkiem jest Voyager 1 i zarazem o tym, jak osobliwym środowiskiem jest przestrzeń międzyplanetarna i międzygwiezdna może świadczyć fakt, że pod koniec 2017 roku sonda uruchomiła swoje silniki w celu wykonania manewru korekty trajektorii lotu. Manewr został wykonany prawidłowo, nawet mimo tego, że przed uruchomieniem silników po raz ostatni uruchamiane były one w… 1980 roku.
Za jakieś 40 000 lat świetlnych sonda przeleci w odległości 1,6 roku świetlnego od gwiazdy Gliese 445. Na kolejny „bliski” przelot Voyager 1 będzie jednak musiał czekać nawet 270 000 lat. Co potem? Badania przeprowadzone w 2021 roku wskazują, że zarówno Voyager 1 jak i Voyager 2 mogą przemieszczać się przez pustkę przestrzeni kosmicznej nie tylko przez miliony, ale nawet przez miliardy lat. Może to oznaczać, że Słońce się już powiększy, być może pochłonie Ziemię, Droga Mleczna zderzy się z Galaktyką Andromedy, a sondy wysłane w 1977 roku w przestrzeń kosmiczną milcząco nadal będą przemierzały przestrzeń kosmiczną. Kto wie, być może kiedyś wpadną do jakiegoś układu planetarnego i narobią chwilowego zamieszania tak, jak w 2017 roku w Układzie Słonecznym narobiła Oumuamua. Być może nawet jakaś cywilizacja dostrzeże którąś z nich na swoim niebie i uzna, że to tylko planetoida i nie zdecyduje się jej badać. Szkoda, bowiem na obu sondach jest przesłanie dla obcych cywilizacji.
New Horizons
Najnowszym i ostatnim dotychczas statkiem kosmicznym, który wyleci z Układu Słonecznego jest sonda New Horizons, która w 2006 roku została wystrzelona w kierunku Plutona. Podróż do Jowisza zabrała sondzie zaledwie 13 miesięcy. New Horizons wykorzystał najmasywniejszą planetę Układu Słonecznego jako trampolinę grawitacyjną, która skierowała ją do Plutona. Podróż między oboma planetami sonda spędziła w stanie uśpienia, z którego została wyprowadzona dopiero pod koniec 2014 roku na pół roku przed przelotem w pobliżu Plutona. W trakcie przelotu sonda wykonała rewelacyjne zdjęcia Plutona i Charona. W momencie największego zbliżenia znajdowała się ona zaledwie 12 5000 km od powierzchni Plutona. Prędkość 84 000 km/h sprawiła, że przelot był niezwykle krótki i intensywny.
1 stycznia 2019 roku sonda przeleciała w pobliżu obiektu Pasa Kuipera nazwanego później Arrokoth. Od tego czasu sonda znajduje się na drodze do przestrzeni międzygwiezdnej. Inżynierowie zakładają, że sonda będzie realizowała swoją misję jeszcze do połowy lat trzydziestych. Warto jednak zauważyć, że nawet mimo tego, że podczas startu osiągnęła ona największą prędkość w historii, nigdy nie dogoni sondy Voyager 1, która podczas startu miała niższą prędkość, ale dzięki licznym asystom grawitacyjnym ostatecznie przemieszcza się szybciej niż New Horizons.
Co dalej?
Ani europejska, ani amerykańska agencja kosmiczna nie mają jak na razie w planach żadnej sondy kosmicznej, która mogłaby potencjalnie wylecieć z Układu Słonecznego. Na szczęście, w 2023 roku pojawiły się informacje, że chińska agencja kosmiczna planuje wystrzelenie w najbliższych latach dwóch sond kosmicznych, jedną do czoła heliosfery, a drugą do ogona.
Można się zatem spodziewać, że te dwie sondy będą numerem 6 i 7 na naszej liście. Jak na razie – zgodnie ze zwyczajem – Chiny nie przedstawiły żadnych szczegółów planowanych misji. Pozostaje jedynie czekać.