Путь BepiColombo, космического аппарата массой 4100 кг, по своей сложности не имеет аналогов в истории изучения планет Солнечной системы. Его траектория — изощренный «танец» с гравитацией: за время путешествия ему пришлось выполнить девять маневров, необходимых для торможения станции. Первый такой вираж состоялся у Земли, затем последовали два пролета мимо Венеры, и наконец, настала очередь для шести пируэтов возле самого Меркурия. Эти маневры продиктованы законами небесной механики: если бы аппарат летел не петляя, он набрал бы слишком большую скорость, гравитация Меркурия не затянула бы его на орбиту планеты и он рванул бы прямиком к Солнцу.

За считаные секунды гамма-всплеск выделяет энергии столько, сколько наше Солнце произведет ее за десять миллиардов лет. Российский детектор регистрирует отголоски этих событий на небесной сфере

BepiColombo состоит из трех модулей: произведенных в ЕС перелетного модуля MTM и двух орбитальных аппаратов — европейского Mercury Planetary Orbiter (MPO) и японского Mercury Magnetospheric Orbiter (Mio). MPO займется картографированием поверхности и изучением состава планеты, Mio — исследованием ее магнитного поля и магнитосферы. Четыре из шестнадцати приборов на борту межпланетной станции созданы при участии российских ученых. Первый из них — панорамный энерго-масс-спектрометр PICAM, входящий в плазменный комплекс SERENA, это совместная разработка России, Австрии и Франции. Он работает как всевидящая камера для заряженных частиц и предназначен для изучения процессов, связанных с выбросом нейтральных частиц с поверхности Меркурия и их ионизацией. Второй прибор — ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS. Головной разработчик — французское космическое агентство CNES; российская сторона предоставила входной оптический блок, который работает в диапазоне волн от 55 до 330 нанометров и предназначен для изучения состава экзосферы Меркурия. Третий — камера MSASI (Mercury Sodium Atmosphere Spectral Imager), созданная в кооперации ученых России и Японии. Она будет наблюдать экзосферу в спектральных линиях натрия, что поможет понять причины появления этого элемента в ближайшем космическом окружении Меркурия. И наконец, Меркурианский гамма- и нейтронный спектрометр (МГНС) — прибор, который полностью разработан и изготовлен в России, в Институте космических исследований (ИКИ) РАН. Его задача — регистрация потоков нейтронов и гамма-лучей от поверхности планеты. По этим данным можно восстановить химический состав поверхности Меркурия и измерить массовую долю воды в верхнем слое грунта в окрестности полюсов.

Как стало известно во время недавнего сближения зонда с Меркурием, МГНС полностью готов к работе. «Мы уже Меркурий, что называется, почувствовали. Благодаря BepiColombo мы уже побывали в его окрестностях — на расстоянии порядка нескольких сотен километров от планеты, получили первые данные. Увидели все то, что и ожидали: Меркурий излучает нейтроны, мы их видим, он излучает гамма-излучение — мы это тоже видим», — рассказывает «Моноклю» заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН Игорь Митрофанов.

Увидеть рождение сверхновой

На МГНС миссия возлагает большие надежды. Благодаря этому прибору ученые получают возможность фиксировать одно из самых удивительных явлений в космосе — космические гамма-всплески. Они связаны с грандиозными, по человеческим меркам, событиями — гибелью массивных звезд или столкновением сверхплотных объектов, например нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

За этим космическим экстримом стоит цепочка не менее эпичных сюжетов. Представьте себе звезду, которая весит в тридцать раз больше нашего Солнца. Когда в ее ядре заканчивается топливо, ядро начинает стремительно сжиматься (коллапсировать), что в итоге приводит к мощному взрыву и рождению черной дыры. Часть падающего вещества выбрасывается из полюсов черной дыры в виде двух узких и мощных лучей — джетов. Эти лучи пронзают остатки звезды и устремляются в космос почти со скоростью света. В момент, когда они впервые вырываются наружу и сталкиваются с окружающим газом и пылью, и рождается гамма-всплеск. За считаные секунды он выделяет энергии столько, сколько наше Солнце произведет за десять миллиардов лет. Детектор регистрирует отголоски этих событий на небесной сфере, которые, к счастью, случаются на значительных расстояниях от Земли, исчисляемых миллиардами световых лет.

МГНС уже включен в международную программу IPN (InterPlanetary Network) по локализации космических гамма-всплесков, в которой участвует шесть приборов, установленных на бортах различных космических аппаратов. Кстати, только два из них сейчас находятся на межпланетном расстоянии от Земли: МГНС — на пути к Меркурию и прибор HEND — на борту марсианского спутника NASA Mars Odyssey. Оба прибора были сделаны в отделе ядерной планетологии ИКИ РАН.

Найти лед на горячей планете

Непосредственно на Меркурии российский спектрометр будет искать различные химические элементы, которые тоже испускают гамма-излучение. Дело в том, что галактические космические лучи бомбардируют поверхность планеты, проникая на глубину около одного метра, и ударяют по ядрам атомов (каждый атом имеет свои уровни возбуждения, подобно колоколу, который в зависимости от массы звучит на определенной частоте). Из-за этого возбужденные ядра испускают гамма-кванты с энергией, характерной именно для этого элемента. Детектор по этим «звукам» определяет, какие элементы в каких пропорциях присутствуют в поверхностном слое планеты. Таким образом, по принципу рентгена в поликлинике, МГНС зондирует инопланетный грунт. По словам Игоря Митрофанова, этот метод незаменим при изучении небесных тел с тонкой атмосферой или без нее, таких как Меркурий, Луна или Марс. И особенно важен он для поиска воды, так как водород, входящий в ее состав, дает характерный нейтронный сигнал.

Да, на Меркурии, самой близкой к Солнцу планете, где температура на дневной стороне достигает 427 °C, может быть вода. Это один из самых удивительных парадоксов Солнечной системы. «Ось вращения Меркурия хорошо согласуется с перпендикуляром к плоскости эклиптики: солнечные лучи в окрестностях полюсов идут практически по касательной поверхности. Из-за того, что поверхность Меркурия испещрена ударными кратерами, там есть такие впадины, куда Солнце вообще никогда не заглядывает. И даже при всей близости этих впадин к Солнцу температура там очень низкая», — объясняет Митрофанов.

В этих вечно затененных кратерах, которые астрономы называют «ловушками холода», температура может опускаться до −180 °C. Именно там, по мнению ученых, должен накапливаться водяной лед. Вероятных механизмов водообразования — два. Первый — кометный: кометы приносят воду, врезаясь в Меркурий. Второй — солнечный: взаимодействуя с поверхностью, солнечный ветер (то есть плазма, где положительные частицы — протоны, по сути ионы водорода) может образовывать гидроксил, который подхватывает еще один атом водорода и превращается в воду. Попадая в разреженную экзосферу Меркурия, молекулы воды могут случайно угодить в темные кратеры на полюсе, намерзают и остаются там навсегда.

То, что вода на Меркурии существует, ранее подтвердил американский аппарат Messenger, изучавший орбиту планеты в 2011‒2015 годах с помощью нейтронной спектроскопии. Но тогда был обследован только северный полюс. Тогда как BepiColombo будет летать по полярной орбите, то есть над обоими полюсами примерно на одинаковом, достаточно близком расстоянии. В этом новый зонд будет первопроходцем. «Мы построим первую для Меркурия карту нейтронного потока, по величине которого сможем определить содержание воды в окрестностях его южного полюса», — говорит Игорь Митрофанов.

Рассчитать процент железа

МГНС будет также картографировать распространенность химических элементов на всей поверхности Меркурия. Это поможет ответить на один из главных вопросов об этой маленькой планете: почему у нее такая высокая плотность? «У Меркурия аномально высокая плотность — это значит, что доля тяжелых элементов, особенно железа, там гораздо выше, чем на Земле или Марсе. Это связано с тем, что Меркурий формировался в самой горячей зоне протопланетного диска, где конденсировались тугоплавкие вещества. Крайне интересно будет узнать, каков точный процент железа в разных химических соединениях на поверхности Меркурия. И какие там есть другие металлы», — рассказывает наш собеседник.

Особый интерес, по его словам, представляют естественные радиоактивные изотопы — калий-40, уран и торий, расчет соотношений которых позволит понять, какая космохимия имела место на Меркурии, когда он еще только формировался.

Данные МГНС помогут и в изучении магнитного поля планеты. «Само магнитное поле мы не измеряем — это задача японских коллег. Но мы можем работать вместе с ними в периоды солнечных протонных событий, то есть мощных вспышек Солнца. В это время поверхность Меркурия начинает “шуметь” по-другому. Мы увидим, как меняется ядерное излучение поверхности в ответ на удар солнечных частиц, а японцы будут наблюдать эффекты в магнитосфере. Совместно мы сможем изучить взаимодействие солнечного ветра с экзосферой и поверхностью Меркурия — это будет уникальная информация, — не сомневается Игорь Митрофанов. — Главное, чтобы электроника выдержала, ведь Меркурий из-за присущей ему высокой радиации — крайне опасная среда для аппаратуры. У миссии наших предшественников, Messenger, гамма-спектрометр вышел из строя раньше срока».

Еще одну загадку представляет собой экзосфера Меркурия. Это не атмосфера в привычном смысле, а крайне разреженная внешняя оболочка планеты, состоящая из атомов, выбитых с ее поверхности солнечным ветром и микрометеоритами. В составе меркурианской экзосферы уже зафиксированы водород, натрий, калий, магний и железо. Российско-японская камера MSASI поможет наблюдать за натрием в экзосфере, что позволит понять причины его появления на планете. А ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS изучит другие компоненты этой разреженной оболочки Меркурия.

Избавиться от помех

Начало сентября стало для МГНС «звездным часом»: орбитальные аппараты MPO и Mio отделились от перелетного модуля, что позволило провести калибровку российского прибора — измерить его «чистый» фон без помех от межпланетного транспорта. «Гамма-излучение от поверхности планеты возникает под действием галактических космических лучей. Но и сам зонд излучает точно так же — ведь он сделан из алюминия, железа, кремния. Этот собственный “звон” мы должны вычесть из сигнала планеты. Когда прибор еще летел единой связкой из трех модулей, мы изучали этот фон. Когда он приблизился к орбите и разделился, мы начали проводить дополнительные калибровки в одиночном полете — это уже решающий этап, чтобы правильно вычитать фон при орбитальном картографировании», — поясняет Митрофанов.

«Мы построим первую для Меркурия карту нейтронного потока, по величине которого сможем определить содержание воды в окрестностях его южного полюса»

Двадцать первого ноября связка MPO и Mio должна выйти на орбиту Меркурия, после чего она будет захвачена гравитацией планеты. Примерно 9–10 декабря она разделится, и каждый зонд начнет работу на своей орбите. Полномасштабные научные наблюдения предположительно начнутся в апреле 2027 года.

Орбита MPO будет полярной и эллиптической, с перицентром (точкой орбиты, ближайшей к центральному телу) на высоте около 480 км над северным полушарием Меркурия и с апоцентром (самой далекой точкой) 1500 км над южным. Японский Mio выйдет на более вытянутую орбиту с перицентром 600 км и апоцентром 11 800 км. Основная фаза картографирования продлится около года. «Мы будем накапливать сигнал по пикселям — квадратикам широты-долготы. Когда будем пролетать над каждым отдельным пикселем, будем присваивать этому пикселю данные, которые регистрируем в моменте. И вот так у нас медленно-медленно будет формироваться карта поверхности Меркурия», — рассказывает ученый.

В целом исследователи оптимистически смотрят на развитие международных космических программ. «Проекты в нашей области — это, наверное, самый устойчивый фактор международного сотрудничества, — считает Игорь Митрофанов. — Ученые гораздо лучше, чем политики, понимают друг друга в рамках решения общей задачи. Поэтому, думаю, когда эта нынешняя политическая турбулентность затихнет, сотрудничество продолжится. Наши компетенции по-прежнему будут востребованы, и мы будем участвовать в новых проектах».