Messenger: надо льдом и пламенем

Иван Соболев, главный специалист ГКНПЦ им. М. В. Хруничева (2006– 2012), внештатный корреспондент журнала «Новости космонавтики».

Иван Соболев, главный специалист ГКНПЦ им. М. В. Хруничева (2006– 2012), внештатный корреспондент журнала «Новости космонавтики».

ТрВ-Наука публикует вторую часть статьи Ивана Соболева, ведущего конструктора ООО «НПП Даурия», посвященной исследованиям первой планеты от Солнца. Начало см. в ТрВ-190 от 20 октября 2015 года.

Вторым земным космическим аппаратом, приблизившимся к Меркурию, стала американская автоматическая межпланетная станция Messenger, запущенная 3 августа 2004 года. На этот раз перед проектировщиками стояла более сложная задача: пролетов раз в полгода явно не хватало для детальных исследований планеты, нужно было выходить на орбиту вокруг нее.

И для того чтобы погасить скорость сближения до приемлемой величины, станции пришлось совершать уже не один, а целых шесть гравитационных маневров. Благо три из них, состоявшиеся 14 января 2008, 6 октября 2008 и 29 сентября 2009 года, осуществлялись в окрестностях самого Меркурия, потому позволили заглянуть «в приоткрытую дверь» немного раньше.

И уже по результатам этих наблюдений аппарат сумел дать ответ на давно интересовавший ученых вопрос о наличии на поверхности планеты вулканических отложений. Теперь их существование было достоверно подтверждено: на снимках обнаружились вулканические кратеры размером до 25 км. Было видно, что через них когда-то извергались большие объемы перегретой лавы. Однако прояснить в деталях характер распределения вулканических материалов стало возможным только после выхода аппарата на орбиту вокруг Меркурия, который состоялся 18 марта 2011 года.

После начала орбитальной миссии инженеров больше всего тревожил тепловой режим аппарата, в первую очередь его реакция на смену «времен года» на Меркурии. Это словосочетание взято в кавычки, потому что в силу небольшого угла наклона оси вращения планеты к плоскости орбиты смены сезонов в том смысле, который мы в это понятие вкладываем на Земле, на Меркурии не происходит. Но, в отличие от Земли (и от других планет Солнечной системы, чьи орбиты близки к круговым), Меркурий движется по заметно вытянутой орбите. Как следствие — столь же заметные по мере изменения расстояния до Солнца вариации солнечной освещенности и ее влияния как на обстановку на поверхности планеты, так и на космический аппарат. Но техника не подвела, и почти сразу после начала наблюдений выяснилось, что Меркурий существенно отличается от того, как его представляли ранее.

Как же изменились наши знания о Меркурии после первого года, проведенного Messenger на орбите вокруг него? Прежде всего с помощью фотокамер и лазерного высотомера была получена первая высокоточная топографическая модель северного полушария планеты. По утверждениям ученых, уже в первый год были проведены измерения в более чем 4,3 млн точек, при этом ширина полосы обзора высотомера составляла от 15 до 100 м.

Поверхность Меркурия, так же как и лунная, оказалась сильно кратерированной, но в целом относительно ровной, и разброс высот по ней оказался значительно меньше, чем на поверхностях Луны или Марса. Кроме того, рельеф поверхности Меркурия в целом однороден, в то время как у Луны и Марса одно полушарие сильно отличается от другого.

В высоких северных широтах наиболее характерной особенностью рельефа оказалось наличие обширных низменностей, которые содержат вулканические равнины, и широких подъемов, сформировавшихся уже после них.

В средних широтах интересные результаты были получены при изучении внутреннего строения ударного кратера Caloris (иногда его называют Caloris Planitia — «Равнина Жары»), открытого еще во время полета Mariner-10. Этот кратер является одним из самых крупных образований подобного рода в Солнечной системе: во время первого пролета удалось установить, что его диаметр составляет 1550 км, что оказалось на 250 км больше величины, оцененной по снимкам Mariner-10.

Анализ концентрации мелких ударных кратеров на поверхности Caloris Planitia позволил установить ее возраст — около 3,8–3,9 млрд лет. Этот период в истории Солнечной системы приходится на время катаклизма, получившего название «поздняя тяжелая бомбардировка», когда по причинам, однозначного понимания которых нет до сих пор, увеличилось число астероидов и комет на орбитах, пересекающих орбиты планет земной группы. Расчеты показали, что диаметр астероида, оставившего столь крупную рану на Меркурии, должен был составлять не менее 100 км.

193-0041

Когда ученые изучали первые снимки Равнины Жары, внимание сразу привлекла странная структура впадин, исходящих из общего центра. Большинство их заканчивается на удалении около двух сотен километров, но некоторые тянутся и дальше, почти до самых границ кратера. Там они пересекаются с концентрическими разломами, образуя некое подобие гигантской паутины.

Это образование, не имеющее пока аналогов в Солнечной системе, получило имя Пантеон за сходство с ребристым куполом легендарного римского «храма всех богов». Интересным было и то обстоятельство, что недалеко от точки, где пересекаются борозды, находится 40-километровый кратер. Только вот имеет ли он отношение к происхождению впадин? На этот вопрос можно было бы ответить утвердительно, если бы сам кратер лежал в геометрическом центре структуры, но он находится на некотором удалении от него. Кроме того, многие борозды покрыты выбросами из кратера, что говорит об их более раннем возникновении. Кратер получил имя Аполлодор в честь архитектора Аполлодора Дамасского, который, возможно (но не достоверно!), участвовал в строительстве римского Пантеона.

По совокупности особенностей рельефа ученые пришли к выводу, что ранее Меркурий отличался весьма активной тектоникой, причем сохранявшейся на достаточно протяженном отрезке геологической истории.

Другим ценным итогом первого года работы миссии стала прецизионная карта меркурианского гравитационного поля, которая в сочетании с топографическими данными и более ранней информацией о вращении планеты проливает свет на внутреннее строение, толщину коры, состояние ядра, а также тектоническую и термальную историю Меркурия.

Как выяснилось, меркурианское ядро, во-первых, просто гигантское — его диаметр составляет примерно 85% диаметра планеты. Специалисты даже начали шутить, что планета скорее напоминает не небесное тело, а апельсин с толстой кожурой. Раньше ученые предполагали, что внутренности столь маленькой планеты уже охлаждены до такого уровня, что ее ядро может быть даже полностью твердым. Однако неравномерности во вращении планеты, которые удалось уловить с помощью наземных радиотелескопов, в сочетании с обнаружением магнитного поля свидетельствуют о том, что ядро Меркурия, по крайней мере частично, должно находиться в жидком состоянии.

Во-вторых, ядро Меркурия оказалось не похоже на ядро ни одной из планет земной группы. Его структура сильно отличается от структуры земного ядра, в котором внешнее жидкое ядро, предположительно состоящее из железо-никелевого сплава, окружает твердое внутреннее. У Меркурия же под твердой силикатной корой и мантией вначале располагается твердый внешний слой ядра, предположительно состоящий из сульфида железа. Глубже, под ним, лежит жидкий слой, и, наконец, в самом центре, возможно, находится твердое внутреннее ядро.

И по-хорошему для окончательного прояснения хотелось бы провести сейсмологические измерения, а может быть, и эксперименты. Но, увы, посадка на Меркурий в ближайшее время не предусмотрена…

Однако самой ошеломляющей новостью стало обнаружение на поверхности признаков воды. Упорные ее поиски на Луне сегодня на слуху у каждого человека, имеющего отношение к космонавтике, будь он хоть любителем, хоть профессионалом. Про меркурианскую же воду до полета Messenger говорили лишь немногие. Впрочем, даже для того, чтобы только допустить само ее существование на планете, в окрестностях которой солнечная постоянная в семь раз больше околоземной, а дневная температура поверхности достигает 700 К, вообще говоря, нужно обладать весьма богатым воображением.

Но свои коррективы вносит тот факт, что наклон оси вращения Меркурия к плоскости орбиты составляет менее одного градуса, поэтому возле его полюсов имеются затененные районы, которые вообще никогда не видят солнечного света. А в 1991 году радиотелескоп «Аресибо» обнаружил в этих самых приполярных районах необычно яркие пятна, отражающие радиоволны так, как их мог бы отражать водяной лед. Многие из этих пятен хорошо коррелировали с расположением больших ударных кратеров, нанесенных на карту космическим аппаратом Mariner-10 в 1970 году во время пролета Меркурия, — то есть напрашивался вывод как раз о «холодной ловушке». Но поскольку Mariner-10 при съемке смог охватить только 45% поверхности планеты, то планетологам для окончательного сравнения очень не хватало полной карты околополярной области.

И вот к Меркурию прибыл Messenger. Изображения, полученные в 2011–2012 годах, подтвердили совпадение ярких областей с глубокими кратерами. В таких местах вполне можно было ожидать наличия больших объемов водяного льда, — ведь атмосфера на Меркурии практически отсутствует, а планетные грунты обычно обладают низкой теплопроводностью. Специалисты провели оценки и установили, что к перманентно затененным областям может быть отнесена примерно одна пятая часть района, расположенного в радиусе 200 км от южного полюса планеты. Таким образом, запасы воды могли оказаться немалыми.

Меркурий

Меркурий

Однако данное обстоятельство само по себе, конечно, не могло рассматриваться в качестве достаточного доказательства наличия залежей водяного льда. Тем более что последующее исследование отражательной способности «ледяных» участков уже в оптическом диапазоне дало прямо противоположные результаты: альбедо поверхности в интересующих точках оказалось не только не повышенным, но даже, напротив, аномально низким.

Весьма неоднозначные результаты получились и при определении температурного состояния поверхности. Температура в самых холодных кратерах вполне допускала существование в них льда. Но в большинстве случаев условия не очень сочетались с образованием «холодной ловушки» — температура поверхности оказалась пусть и не намного, но выше той, которая требуется для стабильного существования оголенного льда.

Ученые принялись искать более веские доводы. И они были получены. Данные нейтронной спектроскопии показали, что яркие в радиодиапазоне полярные отложения действительно содержат слой вещества, богатого водородом, толщиной более десятков сантиметров, но под поверхностным слоем менее богатого водородом вещества толщиной от 10 до 20 см. При этом нижний слой имел концентрацию водорода, соответствующую почти чистому водяному льду. Итак, вывод подтверждается теперь уже тремя независимыми исследованиями.Однако новые результаты породили и новые вопросы. Что это за темный материал, укрывающий полярные ледники? Какие химические реакции он перенес? Есть ли регионы на поверхности или внутри Меркурия, которые могут иметь жидкую воду и органические соединения? Эти и другие вопросы еще ждут своих исследователей.

18 марта 2012 года завершился первый год полета по орбите. Подводя его итоги, специалисты, казалось, не могли поверить в то, что всё это было сделано аппаратом массой всего лишь около тонны, спроектированным и построенным за четыре года, общие затраты на который не превысили 450 млн долл. Даже при утверждении проекта многие считали, что в рамках наложенных ограничений создать аппарат, способный выйти на орбиту вокруг Меркурия и осуществлять детальное картографирование его поверхности и исследование окружающей среды, невозможно.

По завершении первого года полета официально стартовала расширенная стадия миссии. Длилась она весь следующий год, за который были проведены более полные измерения магнитосферы и экзосферы, причем в период более активного Солнца, а также наблюдения поверхности планеты с малых высот. Наконец 6 марта 2013 года NASA объявило о том, что космический аппарат в ходе своего почти двухлетнего полета завершил картографирование планеты. Последним этапом стала съемка недостающих участков северной околополярной области.

Однако всё это вовсе не значило, что на поверхности не осталось больше никаких «белых пятен». Во-первых, лишь малая часть Меркурия была отснята с высоким разрешением. Во-вторых, наибольший интерес для ученых представляют цветные изображения, спектры отраженного излучения, геохимические наблюдения и топографические измерения, которыми тоже была охвачена далеко не вся поверхность.

Таким образом, на Меркурии оставалось еще немало нерешенных задач. Что в сочетании с труднодоступностью планеты с точки зрения энергетики перелета заставило задуматься о том, что хорошо бы Messenger потрудиться еще какое-то время. И в NASA был направлен запрос о повторном продлении миссии еще на два года. Именно на такой срок оставалось топлива для обеспечения коррекции орбиты. После его исчерпания аппарат неминуемо должен упасть на Меркурий: слишком сильны возмущения, оказываемые на его орбиту уже очень близким там Солнцем.

Однако в тот момент судьбу миссии гораздо раньше мог завершить другой фактор, вполне земной, — а именно отсутствие средств в бюджете NASA. Потому извечный гамлетовский вопрос некоторое время витал над дальнейшей судьбой уникального аппарата. К чести ответственных лиц финансы нашлись, и миссию продлили во второй раз, уже на два года. «Летайте, пока топлива хватит!»

Срок второго продления истек 18 марта 2015 года. Инженеры к этому моменту прекрасно осознавали, что существовать аппарату остается недолго. Тем не менее какой-то запас времени еще оставался. И чтобы извлечь из него максимальную пользу, специалисты решили осуществить третье продление миссии, получившее название «кампания парения».

Логика решения заключалась в том, что после полного выполнения всей запланированной программы исследований терять уже, в общем-то, было нечего, и можно было попробовать перевести аппарат в рискованный режим полета с предельно низкими значениями перицентра орбиты. Ничего хуже, чем разбиться о поверхность, станции уже всё равно не грозило, а в случае успеха можно было рассчитывать на получение уникальных снимков Меркурия и результатов научных измерений с предельно малых высот. И в оставшиеся дни Messenger работал на предельно низких высотах, приближаясь к поверхности на минимальное расстояние от 5 до 35 км.

Последняя фотография перед падением Messenger, 30 апреля 2015 года

Последняя фотография перед падением Messenger, 30 апреля 2015 года

Последний виток орбиты Messenger с управлением полетом в реальном времени начался 30 апреля в 11:15 EDT, когда через 70-метровую антенну станции дальней космической связи в Мадриде были получены последние данные и изображения. Затем прием сигналов осуществлялся только от радиомаяка. Настроение в Центре управления полетом было праздничным и грустным одновременно — члены команды в последний раз принимали телеметрию с аппарата, с которым проработали более четырех лет…

Непосредственно процесс соударения станции с поверхностью не был зафиксирован ни наземными, ни космическими средствами, поскольку аппарат упал на полушарие планеты, обращенное в сторону от Земли. Кроме того, положение Меркурия не позволяло наблюдать его космическими телескопами из-за близости к Солнцу, влекущей за собой опасность «засветки» и повреждения чувствительных элементов. Таким образом, с уверенностью подтвердить прекращение полета специалисты миссии смогли только в 15:40 EDT, когда Messenger должен был снова войти в зону видимости с Земли и когда антенны не зафиксировали сигнала бортового радиомаяка.

Согласно баллистическим расчетам перед падением Messenger должен был пролететь несколько километров над заполненным застывшей лавой ударным кратером Шекспир, после чего столкнуться с безымянным горным хребтом в точке с приблизительными координатами 54,5 градуса северной широты и 210,1 градуса восточной долготы. В момент соударения с поверхностью его скорость составляла около 3910 м/с, и согласно расчетам после удара на поверхности должен был остаться кратер диаметром примерно 16 м.

Если бы соударение по каким-то причинам не состоялось, то после выхода из-за Меркурия аппарат снова вошел бы в зону видимости. В расчетное время операторы снова начали мониторинг сигнала, но, как и ожидалось, космос ответил молчанием. Гравитация Солнца сделала свое дело…

Миссия Messenger продолжалась 3922 дня 13 часов 9 минут 53 секунды, считая с момента старта, или 1504 дня 18 часов 40 минут 34 секунды с момента выхода на орбиту вокруг Меркурия. За время орбитального полета аппарат совершил 4104 полных витка вокруг планеты, сделав более 250 000 снимков поверхности и осуществив уникальные научные исследования. В ходе трех пролетов Меркурия и последующих четырех лет работы на орбите на Землю было передано более 10 терабайт информации.

Среди основных научных открытий, совершенных Messenger, помимо уже указанных следует отметить следующие:

  • открытие летучих элементов, испаряющихся при умеренно высоких температурах;
  • определение химического состава поверхности, выявление и изучение следов вулканической деятельности;
  • исследование магнитосферы Меркурия и подтверждение магнитодинамического механизма ее образования (ранее считалось, что процессы остывания ядра Меркурия давно завершены и оно не способно генерировать магнетизм);
  • открытие высокой динамичности магнитосферы Меркурия вследствие взаимодействия с солнечным ветром;
  • обнаружение смещения магнитного поля от оси вращения Меркурия на величину примерно 0,2 радиуса планеты;
  • обнаружение высокоэнергичных электронов и магнитосферных токов;
  • определение химического состава экзосферы планеты и его вариаций в зависимости от времени года и суток, обнаружение экзосферного хвоста, вызванного взаимодействием с солнечным ветром.

Messenger установил рекорд по числу гравитационных маневров, провел более четырех лет на орбите вокруг ближайшей к Солнцу планеты и на протяжении всей своей миссии выдерживал экстремальные тепловые и радиационные нагрузки. Изобретательная и преданная команда инженеров и операторов, ученые, руководители могут гордиться тем, что миссия Messenger превзошла все ожидания и завершилась потрясающе длинным списком открытий, которые изменили наши взгляды не только на один из двойников планет земной группы, но и на всю внутреннюю Солнечную систему.

Уже из этого перечня становится понятным, что второй в истории космонавтики полет к Меркурию был поистине уникальным и с научной, и с технологической точки зрения. Потому в его итогах ученым и инженерам разбираться придется еще долго.

Фото: NASA/Johns Hopkins
University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *