Третий полет к Меркурию

К первой планете от Солнца отправился зонд BepiColombo. Как он будет лететь и какова его задача?

В субботу к Меркурию стартовала необычная миссия из двух разделяемых аппаратов, которые будут изучать первую планету от Солнца с двух принципиально разных орбит. Их задача — после многих лет гравитационных маневров выйти на орбиту вокруг Меркурия, а после прояснить целый ряд загадок одной из самых странных планет Солнечной системы. Пока она изучена хуже других: BepiColombo станет лишь третьим путешественником к Меркурию.

Первая планета нашей системы — очень необычный мир. На его освещенной половине температура доходит до 430 °C, а на другой в это время падает до -190. Впрочем, уже на глубине в полтора метра она почти одинакова и там, и там, и довольно близка к земной. Пожалуй, самая бросающаяся в глаза странность планеты — ее вращение. Оборот вокруг своей оси она делает за 58,7 суток, а вокруг Солнца — за 88 суток. Из-за соотношения этих двух циклов (2:3) Солнце встает над одной и той же точкой поверхности не раз в сутки, а лишь раз в два года (т.е. раз в 176 земных суток). Ничего похожего нет ни на одной другой планете нашей системы: Солнце, наблюдаемое с поверхности Меркурия, двигается то с востока на запад, то с запада на восток.

Меркурий (фото в ложном цвете). Фото: NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington

Меркурий не просто самая маленькая из настоящих планет нашей системы — он меньше некоторых спутников газовых гигантов, как Ганимед или Титан, — но и одна из самых сложных для изучения.

Как ни парадоксально, он часто оказывается самой близкой к Земле планетой (от 82 до 217 миллионов километров), потому что он, в силу длительности своего года, чаще Венеры и Марса находится с Землей по одну сторону от Солнца.

Но отправить к Меркурию космический аппарат намного сложнее. Для попадания туда нужно набрать, а точнее погасить, приличную скорость. Меркурий вращается ближе к Солнцу, и, чтобы попасть к нему, любому космическому аппарату нужно сперва сбросить скорость вращения Земли вокруг Солнца, изначально присущую зонду сразу после старта. Если представить Землю как чашу пращи, то камню, раскрученному пращей (зонду), очень сложно полететь к центру — его тянет вовне. То есть в случае Солнечной системы любому взлетевшему с Земли объекту проще лететь к внешним планетам системы, чем к внутренним.

После гашения скорости вращения Земли аппарату надо ее снова набирать, иначе до Меркурия не добраться. А набрав ее, в конце пути, у самой первой планеты, надо как-то затормозить. Как правило, торможение космических зондов осуществляется за счет гравитации планеты, к которой они направляются. А гравитация Меркурия лишь 37,7% от земной. Скорость можно погасить и двигателями, но тогда зонд должен нести много топлива, а разгон массивного зонда — дело непростое. Аппараты землян не могут достигнуть планеты напрямую — только через серию сложных гравитационных маневров с использованием других небесных тел.

Как добирался до Меркурия «Мессенджер». Источник: Kirill Borisenko / wikimedia commons/ CC BY-SA 4.0

Именно поэтому пока близ него было только два космических аппарата — «Маринер-10» и «Мессенджер». При этом первый фактически изучал планету «на пролете» — не хватило топлива для выхода на стабильную орбиту. Скудность наблюдений долго вообще не позволяла составить о ней полное представление. Например, «Маринер-10» обнаружил у Меркурия слабое магнитное поле, что заставило ученых предположить наличие у планеты твердого металлического ядра. «Мессенджер», однако, точно измерил параметры вращения планеты и показал, что она вращается вокруг оси как тело с жидким ядром, притом рекордно большим — в 0,75 ее диаметра. Ни одна известная модель формирования планет не допускает возможности образования такого тела в принципе.

Теоретики вначале предположили, что Меркурий когда-то столкнулся с другой планетой и мантию просто унесло, поэтому оставшееся ядро и выглядит непропорционально большим. Но гамма-спектрометр «Мессенджера» показал: в недрах Меркурия много легких металлов типа калия, а они не могли бы сохраниться после столкновения — их бы просто испарило. Стало ясно, что голой теорией и телескопами эту планету изучить очень сложно — нужна работа «на месте».

В начале этого века миссия BepiColombo замышлялась как тройственная: в ней участвовали не только европейцы и японцы, но и российское космическое агентство. Один аппарат должен был исследовать саму планету с орбиты. Второй — ее магнитосферу, а третий — российский — впервые в истории сесть на нее. К сожалению, включение посадочного аппарата в путешествие к самой труднодостижимой планете Солнечной системы сделало бы всю миссию требующей слишком большого финансирования. В итоге «НПО имени Лавочкина» перенесло проект «Меркурий-П» на период после 2031 года. Как правило, проекты, откладываемые на такое время, не реализуются вообще.

Карта гравитационных аномалий на Меркурии. Изображение: NASA / Goddard Space Flight Center Science Visualization Studio / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Однако европейцы и японцы от своей части миссии не отказались, хотя и столкнулись с рядом задержек. И теперь успешно довели проект до запуска. Mercury Planetary Orbiter — основная его часть. Его масса — 1230 килограммов, на нем 11 научных инструментов. Это камеры, спектрометры инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-диапазонов, а также акселерометры. Огромной сложностью при проектировании аппарата стало обеспечение надежного охлаждения всех этих инструментов. На один квадратный метр на орбите Меркурия приходится в среднем 9,2 киловатт энергии солнечного излучения — в 6,8 раза больше, чем на орбите Земли. Для компенсации его эффектов зонд оснащен мощными отражающими зеркалами. Несмотря на эту меру, работать он сможет, только постоянно вращаясь — так легче уходит тепло. Его целевая орбита — высотой от 480 до 1500 километров над поверхностью планеты, наклон ее относительно экватора составит 90 градусов, что позволит минимизировать нагрев от Солнца.

Mercury Magnetospheric Orbiter куда меньше (285 килограммов) и несет пять групп инструментов. Выйдя на вытянутую орбиту высотой от 590 до 11 640 километров, зонд будет анализировать заряженные частицы солнечного ветра, отклоняемые магнитосферой Меркурия, и тем самым определит ее параметры. Это важно для понимания свойств ядра Меркурия, отвечающего за генерацию магнитного поля. Не будет преувеличением сказать, что пока и само ядро, и его магнитное поле — самые загадочные в Солнечной системе. У них просто нет близких аналогов.

Не только отмененный «Меркурий-П», но и вообще любой посадочный аппарат мог бы значительно прояснить ситуацию в высоких широтах планеты. Дело в том, что у Меркурия почти нет наклона оси вращения, отчего часть полярных областей планеты никогда не освещают прямые солнечные лучи. Поэтому радар «Мессенджера» нашел там что-то, что крайне напоминает залежи водного льда под тонким слоем пыли. Крайне неожиданное открытие для самой близкой к Солнцу и оттого по-настоящему жаркой планеты! В кратерах Меркурия на этот лед никогда не падает солнечный свет, что не дает ему испаряться. Чтобы наверняка отличить лед от гидратированных минералов, хорошо бы провести исследовательскую работу «на месте». Увы, пока сделать этой крайне сложно: бюджеты миссий к другим планетам весьма умеренны.

Чтобы лучше понять всю сложность полета к Меркурию, достаточно представить себе маршрут. Обе названные выше части зонда будут лететь туда вместе семь лет. BepiColombo получит ускорение за счет гравитационных полей Земли и Венеры. Затем, в 2021 году, аппарат будет ускорять уже одна Венера. В промежутках между гравитационными маневрами аппарат будет нарезать вокруг Солнца огромные, но постепенно сужающиеся круги, словно шарик на рулетке. Как ни странно, для полета к Меркурию самым простым путем будет именно такой — «наматывание кругов», причем сперва на большом удалении от планеты-цели. Наконец, будет использована гравитация самого Меркурия — для сброса скорости. Эти маневры случатся уже в 2021—2025 годах. Окончательно замедлиться и выйти на устойчивые орбиты получится не раньше декабря 2025 года. Путешествие к самой близкой (нередко) планете системы займет у BepiColombo столько времени и энергии, что полет в пояс астероидов (между Марсом и Юпитером) на этом фоне был и быстрее, и менее требовательным к массе топлива — по прямой туда летать втрое дальше, чем до Меркурия.

Схема движения BepiColombo к Меркурию

Новые материалы наблюдений, которые поставят два новых аппарата, должны ответить на две основные группы вопросов. Первая: каковы параметры магнитного динамо планеты — ее расплавленного ядра? Здесь важно все — от температуры до параметров вращения и, конечно, границ создаваемого им магнитного поля. Вторая: чем конкретно сложена поверхность Меркурия?

Если окажется, что на его поверхности меньше легких металлов, чем оценивал «Мессенджер», возможен возврат к концепции соударения как причине всех странностей первой планеты. Более вероятный вариант — относительно легкие элементы там есть, но не только калий, надежно выявленный ранее. Дело в том, что по изобилию тех или иных элементов можно сравнительно точно выяснить, какому именно нагреву подвергалась планета (по точке возгонки тех или иных материалов) и насколько активно поступал на нее в прошлом кометный материал. Среди возможных объяснений меркурианской аномалии со слишком большим ядром — формирование планеты в необычных условиях, на орбите, далеко отстоящей от нынешней меркурианской. Если это действительно так, то на ее поверхности могут быть следы не только водного льда, но и, например, значительных количеств углекислотного льда и иных замерзших газов. Конечно, они будут только в кратерах близ полюсов, куда никогда не заглядывает Солнце. Но ведь и орбита Mercury Planetary Orbiterоптимизирована как раз так, чтобы ему было проще всего вести съемку приполярных областей.

Еще одна заманчивая цель при исследовании первой планеты — горы, окружающие кратер Рахманинова. Он резко выделяется на всей поверхности Меркурия не только двойной цепью таких гор, но и гладкой равниной внутри. Ее 290 километров в диаметре не могли стать гладкими без вулканической активности, залившей равнину лавой. Однако возраст кратера всего один миллиард лет. Меркурий — небольшая планета, и теоретически его ядро не могло сохранить достаточно энергии для обеспечения серьезной вулканической активности на протяжении 3,6 миллиарда лет, прошедших от появления Солнечной системы до образования кратера Рахманинова. Тем не менее ее следы в кратере Рахманинова налицо, и это определенный вызов земной планетологии. Здесь же лежит и самая низкая точка Меркурия — на 5,38 километра ниже его среднего уровня поверхности. Детальное изучение спектрометрами позволит ближе всего подобраться к загадке внутренней части планеты. Состав покрывающей дно кратера лавы определенно может много рассказать и о том, из чего состоит ее ядро.

Кратер Рахманинова. Cнимок с борта «Мессенджера». Фото: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington Image Addition

Несмотря на то что проблемы происхождения и устройства Меркурия могут показаться крайне далекими от земных, в реальности они ближе к нашим практическим интересам, чем можно подумать. Механизмы формирования всех твердых планет нашей системы похожи, и от того, как они протекали, зависит и то, что сегодня находится у нас под ногами. Человечество не может добуриться до ядра Земли, чтобы узнать детали его устройства. А сделать это было бы неплохо: от них зависит и простота поисков новых месторождений полезных ископаемых, и, в теории, возможность предсказывать зоны потенциальной сейсмической опасности или даже извержения супервулканов. Первая планета нашей системы в этом отношении — ценный кадр. Ее ядро настолько ближе к поверхности, что предоставляет поистине уникальный шанс узнать новое.

Весьма вероятно, что BepiColombo сможет существенно продвинуть земную науку в изучении Меркурия. Тогда его достижения станут в один ряд с результатами работы таких космических зондов, как «Новые горизонты» и «Вояджер», перевернувшими наши представления о внешних планетах Солнечной системы.

Источник