220,0
рейтинг
7 мая 2015 в 09:31

Знакомство и прощание с Меркурием



Кажется странным, что третья по близости планета к Земле, до недавнего времени, была хуже всего изучена. На Венеру и Марс слетало более десятка космических аппаратов. Даже у Юпитера земные посланники бывали чаще. У Сатурна второй десяток лет работает мощная исследовательская станция Cassini. Кажется, что против Меркурия сложился заговор.

К сожалению, никакого заговора тут нет. Точнее есть, но это заговор сил природы. Меркурий очень близок к Солнцу, поэтому не все телескопы могут его наблюдать. Например космический телескоп Hubble не может снимать из-за опасности засветки. Космическим аппаратам добраться до Меркурия сложнее чем до Юпитера или даже Плутона. Летать во внешнюю Солнечную систему относительно просто — достаточно набрать третью космическую скорость: 16,65 км/с. Лететь к Меркурию тоже просто — стартовав с Земли надо сбрасывать скорость.

Сложности начинаются, когда спутник попытается задержаться у Меркурия и выйти на его орбиту. Первая планета Солнечной системы — еще и самая маленькая — ее масса незначительна по сравнению с колоссальной силой притяжения близкого Солнца. Т.е. стартовав с Земли в сторону Меркурия, мы фактически будем падать на Солнце. Чтобы задержать падение и выйти на орбиту Меркурия, потребуется много топлива.

Из-за таких сложностей, первый меркурианский искусственный спутник NASA вращался на околосолнечной орбите, только пролетая мимо планеты. “Маринер-10” всего трижды в 1974 и 1975-м гг просвистел мимо Меркурия, успев снять менее половины видимой поверхности.



Этот снимок — практически единственное, что было у ученых для изучения поверхности планеты. Были еще некоторые результаты наземных наблюдений, например с радиотелескопов, но их явно не хватало для детального представления о планете.

Поэтому в 80-е задумали новую экспедицию. Для этого потребовалось просчитать новую траекторию, в которой космический аппарат активно использовал гравитацию ближайших планет. Новый космический аппарат NASA Messenger, запущенный уже в 2004 г. использовал совершенно безумную траекторию, которая включала два пролета у Земли, два пролета у Венеры, и три пролета Меркурия, и только на четвертой встрече проходил выход на орбиту планеты. Такой маршрут требовал много времени, но экономил топливо, а значит, массу и стоимость всей экспедиции.



Пролетев почти 8 млрд км (расстояние как до Плутона в его максимальном удалении), Messenger в очередной раз приблизился к Меркурию и вышел на эллиптическую орбиту. Он приближался к поверхности на 200 км, а потом удалялся на 15 тыс. км. Такая орбита требовалась по нескольким причинам. Прежде всего были технические ограничения: аппарат мог перегреться от солнечного излучения, отраженного от поверхности Меркурия. От прямых солнечных лучей Messenger прикрывался композитным щитом, но поверхность планеты отражает примерно 8% солнечного излучения, что в тех местах тоже весьма немало. Кроме этого эллиптическая орбита позволяла производить съемку и изучение Меркурия с разной широтой захвата изображения, от узких кадров высокого разрешения вблизи поверхности, до широких — издалека.



Научные приборы космического аппарата позволяли провести широкий спектр планетологических исследований: камеры видимого и ближнего инфракрасного диапазона позволили рассмотреть и картографировать планету, наборы мультиспектральных фильтров — оценить цветовые вариации грунта; нейтронный, гамма и рентгеновский спектрометры помогли определить элементный состав поверхности и содержание воды в приповерхностном слое; лазерный высотомер создал карту высот Меркурия, и помог “заглянуть” в вечно темные кратеры у полюсов планеты. Несколько приборов помогли изучить внешние условия, в которых приходилось работать спутнику и постоянно пребывать планете: магнетометр смог определить магнитное поле Меркурия; ультрафиолетовый спектрометр — изучить разреженную атмосферу и экзосферу, а датчик заряженных частиц оценить воздействие солнечного ветра и заряженных частиц на планету.



Это фактически “джентльменский набор” приборов, которые требуются для первичного исследования твердых космических тел в Солнечной системе. Он подходит и для планет, и для комет, и для астероидов.

И что же удалось сделать за четыре года?

Сначала никто и не предполагал, что аппарат столько протянет. Первоначально предполагалась работа на год. Потом продлили на год. Потом еще… В результате аппарат держали на орбите до последнего — пока позволял запас топлива.

Первым делом планету картографировали. Сбылась мечта многих астрономов и планетологов — они смогли заглянуть во тьму.



Впрочем, тьма еще оставалась в кратерах вечной ночи у полюсов планеты. Ось вращения Меркурия практически не отклонена и перпендикулярна плоскости орбиты, поэтому в глубокие кратеры на полюсах Меркурия Солнце не заглядывает никогда.

С этими теневыми участками связана первая интрига. Радиоастрономические наблюдения планеты еще в 90-е годы выявили интересные подробности — у полюсов нашли участки, которые отражали радиоволны практически точно так же, как это должен был делать водяной лед. Лед? На планете где температура на экваторе днем достигает +350 градусов Цельсия? Серьезно?



Вот и радиоастрономам не верили, пока не прилетел Messenger. Первое открытие, которое он сделал — это определил, что участки “блестящие” в радиодиапазоне точно соответствуют участкам вечной тени в приполярных кратерах. Для исследования их содержимого использовали лазерный дальномер. Разумеется его интенсивности не хватило бы для подсветки и прямой съемке фотокамерами. Но дальномер позволяет определять интенсивность отражаемого лазерного луча. И первые попытки посветить лазером в ледники дали обескураживающий результат — предполагаемый лед оказался примерно в два раза темнее чем грунт, окружающий кратеры.



Тут помог нейтронный спектрометр — он сумел определить, что в приполярных регионах все-таки есть вода, т.е. данные этого прибора тоже оказались в пользу льда. Хотя его разрешающая способность не позволяла точно привязать затененные кратеры к повышенной концентрации воды в грунте.


На схеме красный — это высокая степень замедления нейтронов, т.е. признак содержащегося в грунте водорода.

Наконец, лазерный дальномер поймал блеск — в самых приполярных и самых глубоких кратерах поверхность отразила света в четыре раза больше, чем это делал окружающий грунт — очередное доказательство наличия льда было получено. Но что с черными-черными кратерами? Для того чтобы понять, что творится во тьме, пришлось разработать новую термическую модель поверхности. Оказалось, что в кратерах, куда хоть немного заглядывает солнце, отражение света от стенок кратера все-таки попадает на дно. Благодаря этому удалось заглянуть во тьму на длинной выдержке.



И именно это объяснило, почему мы не увидели льда на дне — даже слабенький свет, отражаемый стенками кратера, все равно способен растапливать лед, лежащий на дне. А чтобы понять, что же мы тогда видим, надо вспомнить, откуда лед вообще может быть на Меркурии.

Главным источником льда и воды во внутренней Солнечной системе считаются кометы. Хотя исследование Rosetta поставило под сомнение кометное происхождение земных океанов, а исследование LRO, в том числе российского прибора LEND поставило под сомнение кометное происхождение воды на Луне, но с Меркурием можно говорить увереннее. В его окрестностях кометы появляются гораздо чаще, т.к. Солнце тянет их своей гравитацией, как мух к меду.



Поэтому кометы намного чаще падают на Меркурий, чем на какое-либо другое тело в Солнечной системе, за исключением, конечно, Солнца.

Как многие помнят, комета — это “грязный снежок” — кусок льда с пылью и углеродными соединениями, по текстуре напоминающими уголь. Вот тут ученые и подобрались к ответу на загадку темных кратеров — органика. Лед, принесенный кометами, покоится на дне выбитых кратеров, прикрытый тонким темным слоем органических соединений… Вода и органические соединения — казалось бы лучшие ингредиенты для зарождения жизни, но не хватает еще атмосферы для поддержания воды в жидком состоянии, поэтому, как и на кометах, на Меркурии обитатели не ожидаются.

Зато меркурианские загадки на этом не заканчиваются. Messenger рассмотрел еще одну особенность поверхности планеты, которую так и не смогли окончательно объяснить.



Странные участки выщербленного грунта, которые назвали “впадины” (hollows), встречаются практически по всей территории Меркурия. Пока ученые могут только сказать, что впадины имеют недавнее происхождение, настолько, что возможно процесс их формирования продолжается до сих пор. Это удалось определить по наличию метеоритных кратеров. Точнее по их отсутствию, что говорит о сравнительной молодости образований.

Впадины обнажают нижележащий грунт голубоватого или синеватого цвета.



Какую-то привязку впадины имеют к выходам вулканической лавы, но эти вулканы успокоились задолго до того, как начали формироваться впадины.



Считается, что это некий летучий минерал, который медленно испаряется под воздействием солнечных лучей или даже заряженных частиц, но приборы Messenger не позволили точно определить состав и характеристики изменяющегося грунта.

Другими, не такими интригующими, но любопытными открытиями на Меркурии стали магнитное поле и признаки недавнего вулканизма.

Магнитное поле в сто раз слабее земного, но даже такая интенсивность указывает на жидкое ядро планеты и продолжающиеся токи в нем.



Относительно недавно успокоившиеся вулканы тоже стали сюрпризом. Возможно, еще динозавры могли бы наблюдать извержения на Меркурии, если б обладали соответствующей техникой.



Уникальное в истории космонавтики наблюдение Messenger сделал, взглянув на систему Земля/Луна. Он смог увидеть и показать нам лунное затмение.



Это не транзит, когда одно космическое тело перекрывает линию обзора другого тела, а затмение, когда одно тело скрывается в тени другого тела.

Космический аппарат работал на орбите Меркурия более четырех лет. Изначально столько не планировалось, но техника и приборы работали хорошо, поэтому инженеры старались дольше удержать Messenger на орбите, а руководители проекта — выбить финансирование на следующий год. С каждым годом орбита спутника снижалась, но ученые использовали это для получения снимков с повышенным разрешением, и более тщательного осмотра местности.



К концу 2014 года аппарат полностью исчерпал запасы топлива, но продлить время работы на несколько месяцев удалось обеспечив реактивный импульс сжатым гелием, который использовался для создания давления в топливных баках.

Наконец, пришло время прощаться с космическим аппаратом. 30 апреля “последним вздохом” двигательной установки спутник был направлен к месту своего вечного успокоения.



За несколько часов до удара о поверхность Messenger успел снять Меркурий с высоты около 50 км.



На этом его история закончилась. Но не закончилась наука. Ученым еще предстоит обработать немало данных, и результатом будут еще открытия. Тем более, что теперь Меркурий снова останется наедине с собой и кометами почти на 10 лет. Следующий европейско-японский аппарат BepiColombo собираются запустить в 2017 году, а прибудет он только в 2024-м. Россия тоже принимает участие в проекте — Роскосмос дает ракету “Союз” и разгонный блок “Фрегат”.



Ожидается, что BepiColombo сможет разгадать загадки, оставленные Messenger.
Виталий Егоров @Zelenyikot
карма
1329,2
рейтинг 220,0
Zelenyikot
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (52)

  • 0
    За несколько часов до удара о поверхность, Messenger успел снять Меркурий с высоты около 50 км.


    Сам удар каким-то образом наблюдался с Земли?
    • 0
      Нет не наблюдался. Слишком слабый чтобы быть заметным. Обещают кратер диаметром в 16 метров.
      • 0
        Тогда в чем был смысл «последнего вздоха»? Я думал это для того чтобы аппарат упал не где попало, а в определенном месте, чтобы можно было наблюдать и анализировать выброс вещества.
        • 0
          Его в гору направили, чтобы осколки не раскидало.
          • +2
            На этой картинке цвета соответствуют высоте, как на физической карте в атласе? Тогда выходит что направили в низину.

            image
            • +3
              При желании даже на этой карте можно увидеть горную гряду в которую направлена траектория. Но если вы видеть не хотите, я вам покажу вторую часть схемы:

              image
              • +7
                Спасибо, так понятнее.
              • +1
                Непонятно только почему зеленая траектория «MESSENGER Orbit» не похожа на баллистическую.
                • 0
                  Потому что его траектория — эллиптическая орбита, просто со слегка отрицательным перицентром.
                  • 0
                    Если это эллипс, то один из его фокусов должен совпадать с центром планеты, а это явно не так.
                    • +1
                      Действительно, у показанной на рисунке траектории центры кривизны располагаются выше поверхности планеты, траектория изгибается вверх. При движении под действием исключительно силы тяжести такого не будет
                    • +1
                      Это зависимость высоты от времени, примерно как траектория в полярной системе координат. В эллиптическом падении угловая скорость нарастает, а радиальная замедляется (в районе перицентра).
                      • 0
                        Это зависимость высоты от времени

                        Стоп! Вертикальная скорость dh/dt должна возрастать, а тут она явно убывает — касательная к графику становится более пологой
                        • +2
                          Это радиальная скорость. Представьте себе график в случае, если аппарат пролетит мимо планеты на небольшой высоте.
                          • +1
                            Да, похоже на правду. Надпись «MESSENGER Orbit» сбивает с толку — кажется что это не график зависимости высоты от времени а реальная форма орбиты.
                        • +2
                          Попробуйте подумать, как выглядит график «Высота от времени» для эллиптической орбиты, лучше для нескольких оборотов. Вы получите волнистую линию. Теперь добавьте поверхность так чтобы высота в перицентре была чуть ниже поверхности, а потом призумьтесь в точку пересечения.
                          • 0
                            Подождите. Перицентр в данном случае лежит под поверхностью планеты. Значит радиальная скорость будет возрастать по модулю.

                            На графике я вижу высоту над поверхностью в зависимости от времени и равномерную шкалу по обеим осям.

                            Производная от высоты по времени это радиальная скорость. Она отрицательна — высота уменьшается и должна расти по модулю. А на графике она уменьшается по модулю.

                            Попробуйте подумать, как выглядит график

                            Мне не надо пробовать, я вижу движение вниз с уменьшающейся вертикальной скоростью
                            • +4
                              Хотя если эллипс не сильно вытянут, то возможно, да, ведь радиальная скорость уменьшается при приближении к апоцентру и перицентру.

                              Согласен, я грубо ошибся.

                              P.S. По этому графику можно попробовать восстановить форму последнего витка…
                • +2
                  Похоже, поверхность меркурия на схеме выровнена, так как это диаграмма высоты над условным геоидом, на практике же она должна иметь заметную кривизну.
                  При спрямлении поверхности траектория выгнулась в обратную сторону.
  • +5
    Тем более, что теперь Меркурий снова останется наедине с собой и кометами почти на 10 лет.


    Через год, 9 мая 2016 года, Меркурий снова будет в центре внимания — состоится его прохождение по диску Солнца. Правда это явление не столь зрелищное как прохождение Венеры, ввиду небольших размеров Меркурия:

    Фото прохождения Меркурия по диску Солнца 8 ноября 2006 года.
    image
  • +8
    Летать во внешнюю Солнечную систему относительно просто — достаточно набрать третью космическую скорость: 16,65 км/с.


    Третья космическая скорость v — это скорость, которую надо развить на орбите Земли, чтобы покинуть солнечную систему. Чтобы летать в её пределах достаточно скорости v < v < v
    • +2
      Не очень критичное упрощение, позволяющее неподготовленному читателю легче усвоить суть.
      • +5
        Фраза «набрать скорость чуть более второй космической» изложение для неподготовленного читателя не усложнит, но зато будет отражать истинное положение вещей.

        Необходимо всё же стараться грамотно подавать материал, даже со скидкой на неподготовленную аудиторию
        • +4
          С другой стороны, с третьей космической скоростью тоже можно летать по Солнечной системе.
          • 0
            Можно. «Новые горизонты», если мне не изменяет память, стартовал с околоземной орбиты именно с 3-й космической скоростью. И это был первый случай, когда рукотворный аппарат достиг v3K
            • +1
              Разумеется я имею ввиду достиг сразу после запуска, а не путем последующих гравитационных маневров
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +25
    Планета Меркурий: воды нет, воздуха нет, заселена мертвым роботом.
    • +12
      Вы статью читали? Вода есть.
      • +5
        Зачем читать, если можно писать? =\ *правило современного рунета*
      • +3
        Тайна третьей планеты
      • –1
        Раз говорит про мертвого робота- значит читал:) И воды- нет. Лед есть.
  • +1
    А что мешало оставить аппарат без топлива на орбите? Солнечные батареи то у него наверняка есть, может ещё что понаснимал бы?
    • +6
      Масконы мешали. Он бы все равно упал.
    • +1
      Его орбита снижалась естественным образом. И последний импульс сделали, когда до естественного падения оставалось совсем чуть-чуть.
    • –4
      Думаю, ещё и политически-финансовый вопрос. Сколько ресурсов (персонал, каналы связи) высвободилось на Земле, после «примеркуривания» Мессенджера.
      • 0
        Программа несколько раз официально продлевалась, так что сверх заложенных ресурсов он не отвлекал.
    • 0
      С каждым годом орбита спутника снижалась, но ученые использовали это для получения снимков с повышенным разрешением, и более тщательного осмотра местности.
      Не стали дожидаться, пока упадет в случайном месте, а прицельно уложили в скалу.
  • +3
    Получается, что кратеры вполне «дружелюбны» для спускаемых аппаратов, и достаточно интересны для будущих исследований.
    • +3
      Любопытная мысль. Впрочем, дружелюбность там относительная, все равно в тени холодно, причем прилично.
      • 0
        Холодно — это лучше, чем горячо.
  • +5
    Новый космический аппарат NASA Messenger, запущенный уже в 2004 г. использовал совершенно безумную траекторию, которая включала два пролета у Земли, два пролета у Венеры, и три пролета Меркурия, и только на четвертой встрече проходил выход на орбиту планеты.
    Вот так всегда: из минутной демонстрации работы настоящих профессионалов узнаёшь больше, чем за предыдущие несколько месяцев. Пошёл прикидывать манёвр в KSP.
    • +1
      • +1
        And besides, it has worked in NASA.
  • +1
    Спасибо! Как всегда интересная статья.
    До чего же интересно должно быть писать софт для спутников/марсоходов. А после наблюдать за их работой. Особенно был удивлён удалённой работой над Opportunity: патчем для отключения модуля памяти и дальнейшего переформатирования и включения. Невероятно надёжный и вместе с тем гибкий софт.
    • +1
      Нужно не забывать, что помимо контроля качества кода у них есть и точная копия марсохода на земле, чтобы испытать код сначала на нём.
  • +2
    Всегда хотел спросить — а какого размера Солнце на небосводе Меркурия? По сравнению с земным наблюдением?
    • 0
      Вообще орбита Меркурия довольно вытянутая и видимый размер солнечного диска заметно меняется в течение года. В среднем Солнце там выглядит в три раза крупнее чем у нас.
      • 0
        Спасибо. На Земле угловой размер что-то около 0,5o, а так как Меркурий где-то в 3 раза ближе к Солнцу, то и угловой размер звезды будет больше в 3 раза — т.е. 1,5o, разница не особо заметная.

        После фотографии «Меркурий проходит по диску Солнца» возникает ощущение, что светило там занимает чуть ли не всё небо. Хотя это всёго лишь манипуляции с фокусным расстоянием камеры.
        • +1
          Тут скорее дело в расстоянии до фотографа. С Марса, Земля с Луной тоже выглядят горошинками на фоне Солнца.

          image
  • +2
    В конце прослезился. Зеленыйкот, как всегда, на высоте. Спасибо!

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.