Международный день юмора команда миссии решила отметить весьма своеобразным способом. В ночь перед наступлением вожделенной даты на сайте проекта появилась сенсационная новость: Messenger обнаружил у Меркурия небольшую луну!
Судя по снимку, сделанному широкоугольной камерой WAC, она имела сильно вытянутую форму с максимальным размером около 70 м и напоминала скорее захваченный астероид. Объекту дали имя Кадуцей (Caduceus) по названию жезла, который носил с собой мифологический Меркурий.
В связи с этим команда миссии, осознавая уникальность момента и открывающиеся перед наукой перспективы, приняла экстренный новый план. Суть его заключалась в том, чтобы отказаться от выполнения второго этапа научной программы, да и вообще от продолжения миссии, ради возможности осуществления доставки на Землю образцов грунта из системы Меркурия. Баллистики немедленно просчитали новый маневр и выдали результат: если с использованием оставшегося топлива разогнать Messenger до максимальной скорости и обрушить его на Кадуцей, то последний получит импульс,
достаточный для преодоления слабого тяготения Меркурия и выхода на траекторию полёта к Земле.
Маневр планировалось осуществить с таким расчетом, чтобы избежать падения всё же достаточно крупного объекта как на обитаемую сушу, так и в океаны. В качестве места посадки была выбрана Земля Уилкса в Антарктиде, где, по расчетам, удар не должен был привести ни к разрушениям, ни к образованию цунами. После этого к сбору уцелевших образцов должен был приступить персонал антарктической станции МакМёрдо.
Ради интереса можно подсчитать количество несуразностей в таком плане - рекомендуем заняться этим вместе с друзьями, интересующимися астрономией и космонавтикой, и посмотреть, кто их найдет больше! Ну, а если серьезно, то даже без столь интригующих перспектив сегодня уже понятно, что Messenger коренным образом изменил наши взгляды на Меркурий, и продолжение миссии обещает ещё много новых открытий.
*) - Надо полагать, речь идёт о периодах приближения и удаления Меркурия от Солнца, поскольку в силу небольшого угла наклона оси вращения планеты к плоскости орбиты на Меркурии не происходит смены времён года в том смысле, который мы вкладываем в это понятие на Земле.
18 марта 2012 г. автоматическая исследовательская станция Messenger (США) успешно завершила первый год работы на орбите вокруг Меркурия. Впервые осуществляются длительные детальные исследования геохимии, геофизики, геологической истории, атмосферы, магнитосферы и плазменной среды самой близкой к Солнцу планеты.
Messenger - второй после Mariner 10 земной аппарат, направленный к Меркурию, - стартовал 3 августа 2004 г. и после более чем шестилетнего перелета, включавшего шесть гравитационных маневров, был выведен на орбиту вокру́г планеты назначения 18 марта 2011 г. За первый год работы на орбите аппарат сделал 88 746 снимков поверхности Меркурия и получил множество данных, содержащих новую для науки информацию о топографии планеты, структуре её коры и - самое интересное - о постоянно затененных околополярных участках поверхности.
«К настоящему моменту спутник успешно преодолел этап перелёта протяженностью шесть с лишним лет и годовую научную стадию, осуществляемую в сверхэкстремальных условиях на расстоянии всего 0,3 а.е. от Солнца, - подвел первые итоги Эрик Финеган (Eric Finnegan), специалист Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джонса Хопкинса и технический руководитель полета КА. - Трудно поверить, но всё это выполнено аппаратом массой всего лишь около тонны, спроектированным и построенным за четыре года, и при этом общие затраты не превысили 450 млн. $. Успешный ход миссии является практическим подтверждением того, что ее осуществляли по-настоящему талантливые и выдающиеся инженеры, техники и обслуживающий персонал, работающие как в APL, так и за её пределами. При утверждении проекта многие специалисты считали, что в рамках тех ограничений, которые накладывает программа Discovery, создать аппарат, способный выйти на орбиту вокруг Меркурия и осуществлять детальное картографирование его поверхности и исследование окружающей среды́, невозможно. Однако команда APL сделала это!»
До выхода на орбиту аппарат трижды побывал в окрестностях Меркурия в ходе трёх гравитационных маневров, состоявшихся 14 января и 6 октября 2008 г. и 29 сентября 2009 г., и уже тогда был получен ответ на давний волнующий учёных вопрос: есть ли на поверхности планеты вулканические отложения? Однако выявить детальный характер и глобальное распределение вулканических материалов стало возможно только в ходе наблюдений с орбиты. Полученные снимки поверхности показали наличие вулканических кратеров размером до 25 км, через которые когда-то извергались большие объемы перегретой лавы, создавшие впоследствии долины и каплевидные образования на подстилающей поверхности.
«Последний год оказался для Messenger чрезвычайно насыщенным и полезным, - говорит руководитель проекта от APL Питер Бедини (Peter Bedini). - В то время как инженеры и операторы пристально исследовали реакцию аппарата на смену времён года на Меркурии
*), учёные занимались анализом собранных данных, заполняя пробелы в наших знаниях о планете. Научные результаты первого года орбитальных операций уже повлияли на построение плана наблюдений следующего года, который, как мы ожидаем, будет столь же деятельным и не менее результативным».
По словам научного руководителя миссии Шона С. Соломона (Sean С. Solomon) из Института Карнеги в Вашингтоне, первый год на орбите выявил много сюрпризов - от чрезвычайно динамичной магнитосферы и экзосферы планеты до неожиданно богатого летучими компонентами состава её поверхности. Словом, наши предшествующие представления о Меркурии могут существенно измениться.
Ровнее Луны и Марса
Наблюдения, выполненные лазерным альтиметром MLA, позволили составить первую высокоточную топографическую модель северного полушария планеты, характеризующую рельеф поверхности в различных масштабах. С момента выхода аппарата на орбиту были произведены измерения в более чем 4,3 млн. точек, каждая размером от 15 до 100 м, с шагом между линиями замеров всего в 400 метров.
Тектоническая карта бассейна Caloris. Центр находится в точке 31°с.ш., 163°в.д.
Полученные данные позволили сделать общий вывод: поверхность планеты в целом относительно ровная, и разброс высот на ней значительно меньше, чем на Луне или Марсе. По словам Марии Зубер (Maria Т. Zuber), автора одной из опубликованных научных статей и со-исследователя проекта Messenger, наиболее характерной особенностью рельефа являются обширные низменности в высоких северных широтах, которые интерпретируются как древние вулканические равнины. В пределах этого низменного региона имеется широкий подъём, сформировавшийся уже после вулканических равнин.
Топографическая модель северного полушария Меркурия по данным лазерного альтиметра MLA на борту аппарата Messenger. Избранные области ударных структур на поверхности отмечены черными кружками.
В средних же широтах интересные результаты получились при изучении внутреннего строения гигантского ударного кратера Caloris (иногда его называют Caloris Planitia Равнина Жары) диаметром 1550 км, одного из самых крупных образований такого рода в Солнечной системе. То, что дно бассейна содержит многочисленные грабены, гребни, впадины и другие тектонические образования, плането́логов не удивило, но оказалось, часть его внутренней зоны лежит выше, чем гребни кратера! М. Зубер отмечает, что часть дна кратера является продолжением квазилинейного подъема, простирающегося в средних широтах примерно на половину окружности Меркурия.
В совокупности эти детали свидетельствуют о мощной тектонической активности на Меркурии, которая имела место уже после самых ранних этапов его геологической истории.
Космический апельсин
Другим ценным итогом первого года работы является прецизионная карта меркуриа́нского гравитационного поля, которая в сочетании с топографическими данными и более ранней информацией о вращении планеты проливает свет на её внутреннее строение, толщину коры, состояние ядра, а также тектоническую и тепловую историю.
В ходе измерений гравитационного поля Меркурия не только были обнаружены гравитационные аномалии, но и выяснилось, что планета в целом обладает неожиданно сложной внутренней структурой.
Меркуриа́нское ядро оказалось просто гигантским - оно простирается примерно до 85% радиуса планеты! Специалисты шутят, что Меркурий напоминает «апельсин с то́лстой кожурой». Раньше учёные полагали, что внутренности планеты успели охладиться до такой степени, что её ядро может быть полностью твердым. Однако небольшие динамические движения, которые удалось уловить с помощью наземных радаров, некоторые параметры гравитационного поля и, наконец, обнаружение магнитного поля планеты свидетельствуют о том, что ядро Меркурия, по крайней мере частично, всё ещё находится в жидком состоянии.
Внутреннее строение Меркурия в сравнении с Землей
Раскрыть загадку размера и состояния ядра Меркурия учёные рассчитывают в процессе изучения его влияния на длинноволновы́е вариации гравитационного поля планеты. Но даже первые результаты показывают, что внутреннее строение Меркурия существенно отличается от ожидаемого.
«По-видимому, ядро Меркурия не похоже на ядро ни одной из планет земной группы, - говорит Стивен Хаук (Steven A. Hauck) из Университета Кейз - Вестерн Резерв. - Его структура определенно отличается от структуры земного ядра, где металлическое внешнее жидкое ядро (*
предположительно состоящее из железо-никелевого сплава) окружает твёрдое внутреннее. Похоже, что Меркурий имеет твёрдую силикатную кору и мантию, лежащую на твёрдом внешнем слое ядра из сульфида желе́за. Ещё глубже лежит жидкий слой, и, наконец, в самом центре, возможно, находится твёрдое внутреннее ядро».
Эти данные особо важны для понимания процессов формирования магнитного поля Меркурия, а также его термической эволюции.
И здесь вода?
Упорные поиски воды на поверхности Луны сегодня на слуху́ у всех имеющих отношение к космонавтике - и любителей, и профессионалов. Про меркурианскую воду пока говорят мало: допустить её существование на планете, в окрестностях которой солнечная постоянная в семь раз больше, чем на орбите Земли, а дневная температура поверхности достигает 700 К, вообще говоря, сложно. Однако ещё двадцать лет назад радиообсервато́рия Аресибо обнаружила, что небольшие участки поверхности Меркурия, расположенные в околополярных районах, обладают аномальной яркостью в радиодиапазоне. Изучение этих участков и прояснение их природы было одной из основных
научных задач миссии Messenger.
«До него у нас в распоряжении не было ни единого космического снимка поверхности планеты, где удалось бы зафиксировать эти образования, - признаёт Нэнси Чабот (Nancy L. Chabot), специалист по камере MDIS из APL. - Снимки MDIS показывают, что все яркие в радиодиапазоне детали вблизи южного полюса находятся в зоне постоянной тени, и вблизи северного полюса Меркурия такие отложения также видны лишь в затененных областях. Эти результаты соответствуют гипотезе водяного льда».
По мнению Нэнси Чабот, к таким перманентно затененным областям может быть отнесена примерно пятая часть района в радиусе 200 км от южного полюса Меркурия. Атмосфера на Меркурии практически отсутствует, а планетные грунты обычно обладают низкой теплопроводностью, так что условия в глубоких полярных кратерах должны мало зависеть от близости к Солнцу. Таким образом, объем запасов воды на планете может оказаться немалым.
Но не всё так просто! Исследование отражательной способности «ледяных» участков уже в оптическом диапазоне с помощью всё того же лазерного альтиметра MLA дало прямо противоположные результаты: альбедо поверхности в интересующих точках не только не оказалось повышенным, что было бы ещё одним хорошим доводом в пользу «ледяной» гипотезы, - напротив, оно аномально низкое! Кроме того, в некоторых кратерах, соответствующих ярким радиодета́лям, температурное состояние поверхности не очень сочетается с образованием «холодной ловушки». В лучшем случае приходится допустить существование некоего изолирующего слоя толщиной порядка 10 см, который бы позволил льду иметь более низкую температуру, чем поверхность планеты.
Карта северной полярной области Меркурия по результатам съемки камерой MDIS с наложением радиолокационных деталей обсерватории Аресибо (показаны желтым). Все радиояркие детали соответствуют затененным кратерам Меркурия. Параллели проведены через 5°.
В связи с этим учёные выдвинули версию, что, кроме водяного льда, в полярных кратерах могут откладываться и другие вещества, в частности соединения серы и даже органика. Таким образом, считать вопрос закрытым пока рано: более полное представление о характере этих отложений должны обеспечить новые снимки MDIS и данные нейтронного спектрометра NS, а в будущем - результаты измерений российского прибора MGNS с борта европейского КА BepiColombo.
Не уходя от поверхности
Напомним, что год назад (2011) Messenger был выведен на вытянутую эллиптическую орбиту спутника Меркурия наклонением 82,5°, высотой 261 км и периодом обращения 12,07 часа. Орбита эта не является устойчивой: её перицентр самопроизвольно поднимается, а апоцентр опускается под действием возмущающих сил, обусловленных несферичностью Меркурия и действием солнечной гравитации. Кроме того, перицентр движется в плоскости орбиты, смещаясь от своего первоначального положения над 60° с.ш., что позволяет вести детальную съемку поверхности на разных широтах. А вот подъем перицентра таким наблюдениям вредит, и приходится регулярно проводить коррекции орбиты - как правило, дважды за меркурианский год, равный 88 земным суткам.
Три первые коррекции состоялись 15 июня, 26 июля и 7 сентября
2011 г. Четвёртая, с обозначением ОСМ-4, состоялась 24 октября 2011 г. и имела целью увеличение периода обращения с 11,76 до 12 часов ровно. Двигатели КА были включены в 22:12 UTC и проработали 2,7 мин; приращение скорости составило 4,16 м/с.
Пятая коррекция была выполнена 5 декабря в 16:08 UTC: двигатели были включены на 4.8 мин вблизи апоцентра орбиты и уменьшили скорость КА на 22.21 м/с. Как следствие, высота перицентра уменьшилась с 442 до 200 км, а период обращения с 12.00 до 11,79 час.
После этого по идее надо было бы скорректировать период, включив двигатели в перицентре, но руководители полёта решили этого не делать. Поэтому шестая коррекция состоялась лишь 3 марта 2012 г., и вновь с целью снижения перицентра с 405 км до 200 км. Маневр начался в 01:44 UTC, длительность включения всех четырёх монокомпонентных двигателей составила 171 секунду, а скорость аппарата была изменена на 19,23 м/с. Подтверждение успеха этой операции специалисты APL получили лишь 492 секунду спустя когда первые радиосигналы достигли антенны дальней космической связи под Канберрой (Австралия).
Период обращения КА после коррекции 0СМ-6 уменьшился до 11,60 час, что не очень удобно для организации связи и управления - специалисты предпочитают периоды, кратные земным суткам. Однако цель операторов и баллистиков сейчас состоит в том, чтобы довести период обращения до восьми часов, так что его текущее снижение весьма кстати. По сути 0СМ-6 стал первым из трёх запланированных маневров для перехода к новой орбите, с которой будет осуществляться следующая, дополнительная стадия научной программы. Очередные две коррекции предполагается осуществить 16 и 20 апреля путем торможения КА в перицентре; они-то и уменьшат период до 8 часов.
После окончания этапа глобального картографирования и выполнения основной научной программы высвобождаются многие из инструментов, а также появляется возможность выполнить новый пакет научных задач и ответить на многие возникшие вопросы. Восьмичасова́я орбита увеличивает на 50% количество наблюдений с малых высот северной околополярной области Меркурия, в том числе и постоянно затененных кратеров. Кроме того, снижение высоты апоцентра по сравнению с 12-часовой орбитой позволит наблюдать с большим разрешением и южную полярную область.
Дополнительная научная программа
Официально дополнительная научная программа стартовала 18 марта. В этот же день были получены и первые снимки «нового этапа» с высоким разрешением, составляющим до 42 м на элемент изображения. Обеспечить покрытие с таким всей поверхности Меркурия невозможно, так что основное глобальное картографирование ведется с двухсо́тметровым разрешением. Более детальные съёмки организуются только для особо интересных с научной точки зрения объектов.
Первый снимок, сделанный 18 марта 2012 г. в рамках дополнительной программы Messenger с использованием узкоугольной камеры в составе MDIS. Область размером около 43 км снята с разрешением 42 м.
Работа на этом этапе во многом будет строиться на основе данных, полученных за первый год исследований, и возникших за это время новых вопросов. Исследователей интересует:
• Как давно сохраняется вулканизм? • Как изменялась топография Меркурия во времени? • Каково́ происхождение локализованных областей повышенной плотности экзосферы на Меркурии? • Как солнечный цикл влияет на экзосферу Меркурия и перенос летучих элементов? • Каково́ происхождение энергичных электронов Меркурия?
В ходе дополнительной программы учёные рассчитывают провести более полные измерения магнитосферы и экзосферы планеты, причём в период более активного Солнца, в большей степени сконцентрироваться на наблюдениях поверхности Меркурия с малых высот и существенно разнообразить цели и задачи этих наблюдений.
Основные результаты первого года полёта опубликованы в Science Express от 21 марта и представлены на 43-й Лунной и планетарной конференции, состоявшейся в середине марта 2012 г. в Вудланде (США, штат Техас).
