Российский вклад в изучение Меркурия: проект «Бепи Коломбо»

В конце 2018 года к Меркурию отправится миссия «Бепи Коломбо», целью которой станет изучение полярных областей и магнитных аномалий Меркурия.

Что мы знаем о Меркурии?
Меркурий – первая планета от Солнца и самая маленькая планета земной группы. Даже сейчас науке известно о нем не так уж много. За шестидесятилетнюю историю освоения космоса к Меркурию было отправлено всего два космических аппарата НАСА – «Маринер-10» (1973 г.) и «Мессенджер» (2004 г.), данные которых только расширили круг вопросов.
На сегодняшний день мы уже знаем, что Меркурий – самая быстрая планета солнечной системы, она вращается вокруг Солнца со скоростью примерно 50 км/с. За время одного меркурианского года, который составляет 88 земных суток, Меркурий совершает 1,5 оборота вокруг своей оси. Примерно 83% объёма планеты занимает железное ядро, которое обеспечивает небесному телу сильное магнитное поле. У Меркурия нет атмосферы, и поэтому близость к Солнцу обуславливает сильное воздействие на планету солнечного ветра.

Температура на поверхности Меркурия днем достигает плюс 430 ○C. Но разреженная экзосфера не позволяет удерживать тепло в течение долгой меркурианской ночи, в результате чего на ночной стороне температура поверхности может понижаться до минус 180 ○C.
Самая первая миссия к Меркурию – «Маринер-10» – была пролетной и включала в себя изучение не только Меркурия, но и Венеры. Аппарат пролетал мимо Меркурия трижды, в результате чего были получены данные о дневной и ночной температурах, экзосфере, поверхности планеты и наличии сильного магнитного поля.  
Миссия «Мессенджер» «заполняла логические пробелы»: «Маринер-10» успел заснять менее половины поверхности Меркурия, не было данных о химическом составе, строении планеты и многих других параметрах.

Международный проект с российским участием
До недавнего времени Россия была в стороне от исследования самой быстрой планеты Солнечной системе. Но уже в октябре 2018 года к Меркурию отправится международный проект с российским участием «Бепи Коломбо».
Проект по изучению Меркурия назван в честь итальянского математика и инженера Джузеппе Коломбо (1920-1984 гг.), которым впервые была разработана теория гравитационного манёвра космических аппаратов. Именно Коломбо впервые обратил внимание на то, что периоды собственного вращения Меркурия и его обращения вокруг Солнце находятся в резонансе с отношением 2/3. Помимо этого ученый внес большой вклад в разработку траектории для подлета и изучения Меркурия аппаратом «Маринер-10».
Проект разрабатывается в кооперации Европейского космического агентства (ESA), Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) с участием Госкорпорации «Роскосмос» и состоит из перелетного модуля и двух аппаратов, работающих на разных орбитах.
Разработка ESA – аппарат Mercury Planet Orbiter (MPO). Его цель – изучение поверхности и внутреннего строения планеты со слабо вытянутой полярной орбиты (400 км на 1 500 км).
Аппарат Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), разработка JAXA, – предназначен для исследования магнитного поля и магнитосферы с высокоэллиптической полярной орбиты (400 км на 12 000 км).
К Меркурию аппараты будут доставлены разработанным ESA перелетным модулем Mercury Transfer Module (MTM). Его особенностью является применение электро-реактивных двигателей.

Зачем лететь на Меркурий?
Помимо чисто научного интереса, исследование Меркурия привлекает тем, что он, как и Венера, и Марс, входит в группу планет земного типа. Иными словами, Меркурий важно изучать, чтобы иметь представление о том, по какому сценарию могли бы развиться или будут развиваться те или иные природные процессы на нашей планете. Этим занимается сравнительная планетология.
Одна из загадок Меркурия – его происхождение. На мысли о том, что, возможно, Меркурий образовался путем, отличным от других планет Солнечной системы, ученых наводят его аномальная плотность и достаточно сильное магнитное поле – его напряженность  составляет около 1% от земного. Знания эти могут приблизить понимание того, как происходили образование и эволюция Солнечной системы.
Приблизить ответы на эти фундаментальные вопросы поможет также изучение вечной мерзлоты в полярных областях. Как и поверхность Луны, поверхность Меркурия покрыта глубокими кратерами. Из-за того, что ось вращения планеты почти перпендикулярна к плоскости орбиты, на Меркурии нет смены времён года. В результате этого в кратерах на полюсах планеты постоянно сохраняются криогенные температуры, с помощью наземных наблюдений в них были обнаружены скопления водяного льда. В 2012 г.  аппарат «Мессенджер» подтвердил наличие на полюсах ледяных отложений, покрытых слоем пыли. Анализ такого льда может дать новые данные об образовании и эволюции Солнечной системы, и, возможно, даже о зарождении жизни на Земле.

МГНС
Для построения глобальной карты основных породообразующих элементов и обнаружения летучих соединений в полярных областях поверхности Меркурия в отделе ядерной планетологии Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) под руководством Игоря Митрофанова, руководителя отдела, создан прибор МГНС.
МГНС – Меркурианский гамма- и нейтронный спектрометр. Прибор установлен на борту европейского аппарата MPO. Основная задача – определение элементного состава вещества поверхности Меркурия с пространственным разрешением 500 км, что позволит выяснить физические представления об образовании и эволюции планеты. Помимо этого прибор будет измерять отношение концентраций радиоактивных изотопов калия и тория, что позволит сопоставить эту величину с известными аналогичными отношениями для планет земной группы. Полученные результаты помогут выяснить сходство или различие процессов формирования небесных тел на раннем периоде образования Солнечной системы.
Вторая важная задача –  изучение полярных районов Меркурия с целью обнаружения постоянно затененных областей, которые могут содержать залежи летучих соединений кометного происхождения, в том числе водяной лед. Также планируется сопоставить эти области с аналогичными областями, в полярных районах Луны.
Коллективом отдела создано уже четыре нейтронных спектрометра, которые в настоящее время успешно решают научные задачи в лунных и марсианских миссиях НАСА и ЕКА (ХЕНД на борту марсианского спутника «Марс-Одиссей», ЛЕНД на борту лунного спутника ЛРО, ДАН на борту марсохода «Кюриосити» и ФРЕНД на борту марсианского спутника ТГО миссии «ЭкзоМарс-2016»).
Разработка прибора МГНС основана на успешном опыте космических экспериментов с этими нейтронными приборами. Однако в устройстве впервые присутствует принципиально  новый элемент – спектрометр космического гамма-излучения. Именно благодаря этому инновационному элементу по данным МГНС удастся определить ядерный состав меркурианского вещества и получить количественную оценку долей различных химических элементов.
В качестве детектора гамма-лучей в приборе МГНС впервые в космических исследованиях применяется сцинтилляционный кристалл из бромида церия. Этот детектор имеет достаточно высокое спектральное разрешение для отождествления линий ядерного гамма-излучения разных элементов, и при этом он гораздо проще и надежнее гамма-детекторов из высокочистого охлаждаемого германия, который применялся в аналогичном эксперименте на борту аппарата НАСА «Мессенджер».    
Прибор МГНС является чисто российским устройством. На его борту красуется надпись «Сделано в России». До установки его «летного образца» на борт космического аппарата (рис. 1) было создано четыре эквивалентных образца прибора (рис. 2), на которых были проведены все контрольные испытания и отработки в условиях, эмитирующих космический полет, которые подтвердили полную готовность прибора МГНС к космической экспедиции на Меркурий.

Рис.1. Летный образец прибора МГНС установлен на космический аппарат MPO миссии Бепи Коломбо

Рис. 2. Образцы прибора МГНС, на которых в ИКИ РАН проводились испытания и отработки для подготовки к космическому полету летного образца.

PHEBUS
На борту аппарата MPO установлен также другой прибор, созданный при участии ИКИ РАН.
PHEBUS – ультрафиолетовый спектрометр для измерения состава и динамики экзосферы Меркурия. Прибор представляет собой спектрометр на дифракционной решетке с двумя отдельными каналами, один из которых проводит измерения в диапазоне жесткой (около 55-155 нм), а второй в дальней (около 145-315 нм) ультрафиолетовой области спектра.
Головной разработчик – Национальный центр космических исследований Франции. Разработка отдела физики планет ИКИ РАН – входной оптический блок с системой наведения прибора в заданном направлении. Механизм обеспечивает точность наведения до угловой секунды, которая необходима для проведения калибровки по наблюдениям звезд. Также в конструкции предусмотрена система аварийного перекрытия оптического канала в случае попадания прямого солнечного излучения.
Особенность такого прибора в том, что он не может работать в воздушной среде, испытать его можно только в условиях вакуума, так как воздух выведет из строя используемые фотоприемники. Поэтому в процессе наземных испытаний прибора необходимо использовать вакуумную технику.
Научный соруководитель с российской стороны – член-корреспондент РАН Олег Кораблев, заведующий отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН.
В настоящий момент стороны договариваются об установке одной из двух изготовленных летных моделей прибора после конструкторской адаптации на одном из российских лунных орбитальных аппаратов.

Рис. 3. Ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS для миссии «БепиКоломбо» © ИКИ РАН

Рис. 4. Функциональные испытания поворотно-визирующего узла PHEBUS в составе с входной оптикой и блендой (без основного блока спектрометра, автономно) © ИКИ РАН

PICAM
В составе плазменного комплекса SERENA на аппарате MPO установлена еще одна совместная разработка ученых Австрии, Франции и России – панорамный энерго-масс-спектрометр положительно заряженных ионов PICAM. Схема такого прибора была предложена Олегом Вайсбергом, главным научным сотрудником отдела физики космической плазмы.
Основная задача эксперимента – исследования потока ионов с поверхности планеты и ионов солнечного ветра в магнитосфере Меркурия, и таким образом, изучение грунта Меркурия и его взаимодействия с экзосферой планеты.
Данные, собранные прибором, помогут определить химический состав грунта, изучить физические процессы выброса с поверхности нейтральных частиц и измерить потоки магнитосферных ионов, которые возвращаются на поверхность; понять, существует ли у Меркурия ионосфера и каким образом происходит конвекция плазмы вблизи него, прояснить структуру магнитосферы и особенности её взаимодействия с солнечным ветром.
Вклад ИКИ РАН – разработка электронно-оптической конструкции ионного датчика. Научный соруководитель прибора – Олег Вайсберг.

Рис. 5. Панорамный энерго-масс-спектрометр положительных ионов PICAM для миссии «БепиКоломбо» © MPS MPG

MSASI
Одна из загадок Меркурия – появление и перемещение облаков из натрия, которые не оседают в течение нескольких дней даже в условиях очень разреженной экзосферы. Найти ответ на вопрос поможет российско-японская разработка, камера наблюдения в лучах натрия MSASI., главная задача которой – определение причин появления натрия в экзосфере Меркурия. Камера позволяет получать изображения, формируемые в узкой полосе излучения линии натрия. Высокая степень селективности излучения обеспечивает применение в составе конструкции прибора интерферометра Фабри-Перо.
Развертка изображения осуществляется в двух направлениях: в одном случае – за счет вращения самого аппарата, а в другом – оптическим сканированием.
Прибор установлен на борту японского аппарата MMO. Российский вклад – блок оптико-механической развертки  для  получения  изображения – разработан в отделе физики планет ИКИ РАН.
Дополнительная трудность, с которой столкнулись российские специалисты, – необходимость экранирования двигателя сканирующего устройства. Таких технических особенностей требует необходимость соблюдения «магнитной чистоты» прибора, поскольку с помощью аппарата ММО будут проводиться высокоточные магнитометрические исследования.
Было найдено уникальное решение – эффективную защиту удалось обеспечить благодаря технологии гальванического нанесения на алюминиевый корпус двигателя экрана, состоящего из многих слоев магнитного и немагнитного материала.
Научный соруководитель с российской стороны – Олег Кораблев.

Рис. 6. MSASI — камера наблюдения в лучах натрия © ИКИ РАН

Рис. 7. Настройка сканирующего устройства в составе прибора MSASI © ИКИ РАН

Заключение
Благодаря миссии «Бепи Коломбо» российскими учеными будут получены уникальные данные о составе поверхности Меркурия и ее структуре, окружающем планету пространстве, в том числе стороны, не видимой с Земли, а также о геологической истории развития планеты, происхождении магнитного поля и взаимодействии его с солнечным ветром.
Статут проекта был представлен на заседании Совета РАН по космосу 27 апреля 2017 года.
С докладами о российском вкладе в научную нагрузку миссии и состоянии дел выступили руководители экспериментов PHEBUS, MSASI и МГНС Олег Кораблев и Игорь Митрофанов.
Ученые подтвердили, что все обязательства российской стороны перед иностранными партнерами выполнены в срок и в скором времени ожидается интеграция и комплексные испытания всего блока.
Также было отмечено, что как российские, так и зарубежные ученые будут иметь доступ ко всем научным  данным, полученным в ходе миссии.
Запуск миссии намечен на октябрь 2018 года, и будет произведен с европейского космодрома в Куру ракетой «Ариан-5».
Продолжительность полета к Меркурию – около семи лет. За это время блок аппаратов совершит девять гравитационных маневров, вокруг Земли, дважды вокруг Венеры и шесть раз вокруг Меркурия.
Ожидается, что российские и другие  приборы будут включаться вблизи Венеры для проведения серии измерений верхних слоев венерианской атмосферы и ряда других экспериментов.
Ожидаемый срок работы аппаратов на орбите вокруг планеты – один год.

Светлана ВИНОГРАДОВА,
Институт космических исследований
Российской академии наук