Текст книги "Делай космос!"

4.8. InSight: летим долбить Марс

В мае 2018 года с военной базы Ванденберг в Калифорнии к Марсу отправилась группа космических аппаратов, которые должны получить новые данные о Красной планете. Главная нагрузка ракеты Atlas V – спускаемый аппарат InSight, который будет изучать Марс изнутри.

Конструкция InSight позаимствована у успешной миссии NASA Phoenix, которая высадилась в приполярье Марса десятью годами ранее. По сути, это круглый стол, на котором размещены научные инструменты и приборы. Электропитание модуля обеспечивается разворачивающимися как веер солнечными батареями.

InSight

Под «столом» располагаются ракетные двигатели, топливные баки, радар-высотомер, подпружиненные раскладные «ноги» и прочие системы мягкой посадки. Перелет совершается в теплозащитной капсуле, которая высвободит космический аппарат только перед самой поверхностью.

Phoenix изучал грунт и водяной лед, которого много у марсианских полюсов. InSight же должен сесть близко к экватору, всего в нескольких сотнях километров от марсохода Curiosity – на вулканической равнине Элизий. Работа InSight должна продлиться около двух земных лет, то есть один марсианский год, хотя, возможно, работу продолжат, если системы будут функционировать нормально.

Марсоходы Spirit и Opportunity могли пробурить Марс только на 0,5 сантиметра. Прорыть траншею колесом получалось лишь на пару сантиметров. Phoenix копнул грунт сантиметра на три. Марсоход Curiosity бурит на 7 сантиметров.

InSight должен забить стальную сваю на глубину до 5 метров. Система HP3 (Heat Flow and Physical Properties Probe) разработана Германским космическим агентством DLR. На глубине несколько метров не будут изучать химию породы и не будут искать микроскопических марсиан. Всё проще – такая глубина нужна для того, чтобы определять температуру грунта от поверхности и до внедренного зонда.

В ходе забоя скважины еще больше узнают о плотности грунта, что важно для уточнения моделей тепловой инерции, то есть определения плотности грунта, его скорости накапливания и отдачи тепла в течение суток. Поскольку данные по тепловой инерции получены уже со всей планеты при помощи спутников, лучшее понимание связи между плотностью и теплом поверхности позволит лучше узнать весь Марс.

Для точного измерения перепадов температур внутри скважины на аппарате разместили термодатчики на гибкой ленте, которая крепится к забиваемой свае. На ленте датчики располагаются через каждые 35 сантиметров. Ученые попытаются выяснить, насколько глубоко прогревается грунт под солнечными лучами, и как меняется баланс температур в течение марсианского года. Это знание послужит многим целям, например, позволит точнее определять глубину залегания вечной мерзлоты и оценивать возможные запасы воды.

Еще один способ познать нутро «бога войны» – это послушать при помощи сейсмометров – приборов для изучения колебаний грунта. Это будет уже не первая попытка. Сейсмометры стояли на спускаемых аппаратах Viking, которые начали свою работу еще в 77-м году. Однако из-за неудачного размещения они всё время регистрировали только порывы ветра и, кажется, только раз услышали подземный толчок неизвестного происхождения.

Сейсмический эксперимент предполагался на российской станции «Марс-96», но, к сожалению, миссия оборвалась в Тихом океане. Марсоходы, в принципе, тоже могли бы использовать свои акселерометры для регистрации заметных сейсмических толчков, но ничего существенного за время их работы в тектонике планеты не происходило.

InSight обладает сверхчувствительным французским прибором SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure), который на порядки превосходит чистоту и качество своих марсианских предшественников. Уроки прошлого были учтены, и сейсмометр разместят непосредственно на поверхности Марса, под двумя защитными колпаками – от ветра и от перепадов температуры. SEIS обладает трехосевым широкополосным сейсмометром и трехсегментным сейсмометром короткого периода.

За счет размещения датчиков по трем осям сейсмометр сможет определять направление и глубину до источника сейсмического толчка, что, в свою очередь, позволит изучить недра Марса до самого ядра (если будет достаточно мощная волна). Точность же прибора такова, что он должен зафиксировать даже гравитационное воздействие спутника Марса – Фобоса, который, в отличие от земной Луны, имеет намного меньшие размеры и массу, а значит имеет незначительное воздействие на Марс.

Для установки на поверхности планеты сейсмометра и устройства забивания свай InSight оборудован специальным краном-манипулятором с захватом и навигационной камерой. Камера повторяет конструкцию навигационных камер марсоходов, только она цветная, но снимки все равно не будут превышать один мегапиксель. Еще одна камера будет располагаться под «столом» у ног посадочного устройства, чтобы лучше наблюдать за установленными на планете приборами.

Вращение планет вокруг своей оси нестабильно, за тысячи лет ось вращения планеты меняет направление и совершает покачивания, эти движения называют прецессией и нутацией. Кроме того, возможны отклонения в процессе суточного и годового вращения. Дополнительное влияние на осевое вращение Марса оказывает наличие и размер жидкого ядра в центре планеты, приливные воздействия Фобоса и Деймоса и перераспределение массы углекислого газа по поверхности, который в зависимости от сезона выпадает льдом то на одном, то на другом полюсе.

Земная ось совершает полный прецессионный цикл за 25 765 лет. Марс – примерно за 175 000 лет.

Данные по прецессии Марса были получены на основе анализа движения космических аппаратов Mars Odyssey и Mars Global Surveyor при помощи эффекта Допплера. Данный эффект влияет на частоту передаваемого сигнала с космического зонда и на зонд в зависимости от изменения его скорости. В случае с орбитальными аппаратами, летающими вокруг Марса, точность измерений достигает 1 м/с, но если передатчик и приемник разместить на поверхности планеты, то точность должна возрасти.

Подобные эксперименты проводили с посадочным зондом Mars Pathfinder и с марсоходами Spirit и Opportunity, когда они останавливались в своем путешествии чтобы перезимовать. Но длительность этих экспериментов не достигала и полугода, а чтобы изучить все детали вращения планеты, надо наблюдать как минимум год. Для точного определения расположения InSight и всех подробностей его перемещения вместе с планетой, на его борту размещен прибор RISE (Rotation and Interior Structure Experiment). По сути, это два радиопередатчика X-диапазона с рупорными антеннами среднего усиления, направленными в противоположные стороны. Теоретический предел точности определения скорости для аппарата, размещенного на поверхности Марса, составляет 5 мм/с, но в NASA ожидают точность около 5-10 см/с.

При необходимости RISE может использоваться для передачи полезной информации, но в нормальном режиме для этого будет применяться отдельная антенна UHF-диапазона (радиоволны ультравысокой частоты), передающая данные на орбитальные аппараты.

Данные с трех основных приборов InSight NASA сравнивает с жизненными показателями Марса: SEIS послушает дыхание и пульс, HP3 изменит температуру тела, RISE замерит двигательные рефлексы. Кроме этого, на приборном столе InSight размещены испанские устройства TWINS для наблюдения за климатом, аналогичные прибору REMS марсохода Curiosity. Под ветрозащитным колпаком сейсмометра скрывается датчик атмосферного давления, рядом располагается магнитометр. На другой стороне «стола» цветовая таблица для калибровки фотокамеры и лазерный уголковый отражатель LaRRI, который пригодится, если кто-то, пролетая над Марсом, решит посветить лазером в InSight.

Посадка InSight ожидается в ноябре 2018 года.

5. Церера

5.1. Dawn: рассвет над Церерой

С начала 2015 года космический зонд NASA Dawn («Рассвет») приближался к карликовой планете Церера. С каждым днем снимки этого загадочного космического тела, вращающегося между орбитами Марса и Юпитера, открывали всё новые и новые подробности.

Загадки Цереры начались еще до того, как Dawn прибыл к ней. Полутора годами ранее инфракрасный космический телескоп ESA Herschel с расстояния почти в 300 миллионов километров смог определить две точки на поверхности карликовой планеты, откуда испаряется вода. Их назвали Region A и Piazzi (в честь первооткрывателя Цереры). Суммарное испарение оценили примерно в 6 кг/с, то есть оно было не такое мощное, как гейзеры Энцелада (спутник Сатурна), которые выдают 200 кг/с. Получается, за земной год выбросы Цереры достигают примерно 200 тысяч тонн – уже небольшое озеро.

Dawn

Dawn – представляет собой классический зонд для исследования безатмосферных тел Солнечной системы: на борту размещен небольшой панхроматический телескоп с восемью спектральными фильтрами на колесе, инфракрасный спектрометр и гамма-нейтронный спектрометр.

В феврале 2015 первые снимки Dawn с более-менее приличным разрешением стали приносить первые открытия на поверхности карликовой планеты. Точка, которая примерно соответствовала источнику испарения воды Region A, оказалась метеоритным диаметром в 90 км. На дне кратера обнаружились очень яркие, по сравнению с окружающей местностью, пятна какого-то вещества, хорошо отражающего солнечный свет. Размер этих пятен доходил до 6-ти километров.

В первые месяцы исследования невозможно было установить, что это за яркие объекты, и каково их происхождение. Были предположения, что это лед криовулкана или отложение солей.

Сам по себе лед на Церере не удивителен. Считается, что внешняя кора карликовой планеты в значительной степени состоит из замерзшей воды. Церера находится практически на границе так называемой «снеговой линии» (frost line), которая отделяет внутреннюю часть Солнечной системы от внешней. Разница – во взаимодействии замерзшей воды и солнечного света. Внутри Солнечной системы – Солнце испаряет лед, за пределами снеговой линии – его свет не имеет достаточной интенсивности и позволяет водяному пару конденсироваться в лед. На орбите Юпитера возможно существование ледяных лун вроде Европы, а на орбите Марса – нет.

Церера находится у границы снеговой линии, но все же внутри нее, и лед должен бы испаряться под прямыми солнечными лучами. К счастью для льда карликовой планеты, он прикрыт темным «мусором», который усыпал Цереру за миллиарды лет, проведенные в поясе астероидов. Поэтому поверхность Цереры цветом даже немного темнее вполне сухой Луны.

Можно было бы предположить, что белые пятна – это результат относительно недавнего падения на Цереру крупного метеорита или мелкого астероида. При падении астероид мог раздробиться из-за гравитационного воздействия Цереры и выпасть обломками разного размера, оставив несколько отметин на обнаженном льду.

Более экзотичная и интригующая версия – криовулкан. К примеру, на спутнике Сатурна Титане смогли обнаружить несколько криовулканов – это такие вулканы, где вместо лавы течет вязкий водяной лед в смеси с аммиаком. Но у Титана есть причина, разогревающая недра – гравитационное воздействие Сатурна. У Цереры такой причины нет, поэтому вулканическая гипотеза интереснее, так как подразумевает неизвестный источник энергии в недрах.

Яркие пятна на Церере пока не разгаданы, а вот о вулканизме, хотя бы прошлом, можно говорить уже более уверенно. Dawn смог увидеть другой объект на теле карликовой планеты, который очень похож на вулкан.

В общем, Церера оказалась не простым каменным астероидом и загадала кучу загадок своей сложной историей, которая, возможно, еще не завершилась.

5.2. Dawn: раскрывая тайны межпланетного пришельца

Церера вращается вокруг Солнца примерно между Марсом и Юпитером в поясе астероидов, но научные результаты Dawn позволяют предполагать, что прибыла она в нынешнее «место парковки» из более дальних краев.

Цереру открыли более 200 лет назад, но почти два века люди ничего не могли увидеть, кроме точки или маленького пятнышка из-за несовершенства оптики. С Цереры началось открытие Главного астероидного пояса, и за внешнее сходство с далекими звездами астероиды получили свое название – «звездоподобные». Их размеры так малы, что телескопы прошлого и позапрошлого века были не способны различить хоть какие-то детали поверхности. Сначала Цереру считали планетой, но быстро «разжаловали» в астероиды, и в этом звании она провела два века. Дискуссия о статусе Плутона привела к уточнению термина «планета» и введению нового термина «карликовая планета». В 2006 году Церера получила звание карликовой планеты и среди них стала самой маленькой и самой близкой к Земле. К этому времени космический телескоп Hubble смог увидеть ее уже лучше и показать сферическую форму, благодаря которой Церере и досталось это звание. Диаметр Цереры составляет примерно 950 километров, что в 3,5 раза меньше диаметра нашей Луны и в 2,5 раза – Плутона. Спутник Плутона Харон – чуть больше Цереры, но она летает сама по себе вокруг Солнца, поэтому заслужила особое звание.

Остальные карликовые планеты: Плутон, Эрида, Хаумеа и Макемаке вращаются намного дальше – за орбитой Нептуна. Из них только Плутон на краткое время посещался земным зондом New Horizons. В 2015 году к Церере прибыла межпланетная автоматическая станция Dawn, за три года станция сменила несколько орбит разной высоты: 5100-4400-1500-385-200 километров, и теперь Церера – самая изученная карликовая планета.

Особенностью конструкции Dawn является его двигательная установка – он использует электроракетные ионные двигатели. Особенностью этих двигателей является высокая скорость истечения реактивных газов, которая позволяет расходовать запас гораздо экономнее более распространенных химических двигателей. Недостатком ионников является ничтожно малое количество газа в реактивной струе, которая толкает космический аппарат вперед. Поэтому там, где химическому двигателю потребуется включение на несколько минут, ионному придется работать десятки часов. К тому же, электроракетные двигатели требуют много энергии, поэтому Dawn оснащен солнечными батареями с размахом почти 20 метров.

Несмотря на недостатки ионных двигателей, они позволили Dawn совершить долгий и многоэтапный вояж в поясе астероидов и провести сложную научную программу. Стартовав в 2007 году, Dawn прибыл к самому большому астероиду в Главном поясе между Марсом и Юпитером – Весте. Это яйцеобразное грубое каменное тело размером около 550 километров. Если бы Веста имела сферическую форму как Церера, то тоже звалась бы карликовой планетой.

Dawn вышел на орбиту вокруг Весты и больше года изучал ее с трех разных орбит. Затем зонд воспользовался преимуществами ионной тяги и вернулся на межпланетную траекторию, чтобы добраться до следующей важной цели – карликовой планеты Церера. Перелет длился два с половиной года.

Любопытный факт: Dawn провел в поясе астероидов восемь лет и совершил три оборота вокруг Солнца, но не встретил ни одного астероида кроме Весты. Это показательный пример того, насколько заполнено астероидами пространство в самой гуще Главного пояса. Если бы в пути попался хоть один известный астероид, NASA не упустило бы возможности изучить его хотя бы издалека и на пролетной траектории.

Ученые ожидали обнаружить воду на Церере, ведь еще ранее анализ ее орбитальных характеристик позволил высчитать ее массу, а после уточнения размеров получить среднюю плотность 2,1 г на куб см. Это очень мало в сравнении с каменными астероидами. У Весты плотность 3,4 г на куб см, а у самой распространенной в Солнечной системе каменной породы базальта плотность около 2,6 г на куб см. Поэтому еще до прибытия Dawn предполагалось большое содержание воды, до 50 % в мантии Цереры. Для сравнения, метеориты, прилетевшие на Землю с Весты, содержат не более 0,04 % воды.

Сферическая форма Цереры указывает на прошедшую дифференциацию – разделение на каменно-ледяную мантию и каменное ядро, возможно, с примесью металлов. Всё это покрыто тонким слоем реголита, накопившимся за миллиарды лет на поверхности карликовой планеты.

Открытия Dawn начались с ярких пятен в кратере, названном Оккатор, но это было только начало. Сразу заметили еще одну приметную особенность – почти правильный конус горы, названной Ахуна. Она выделялась на фоне средней «шероховатости» поверхности, возвышаясь на 5 километров с основанием 20 километров. Рядом с горой располагается глубокий метеоритный кратер примерно такого же размера, но, вероятно, они не связаны. Зато с противоположной стороны карликовой планеты находится древний и самый большой на Церере кратер от астероида диаметром 280 километров. Возможно, гора Ахуна – это вулкан, который сформировался в точке фокусировки сейсмических волн от удара с обратной стороны. Подобные процессы могли происходить на Меркурии (Равнина Жары), Марсе (нагорье Фарсида и Элизий), Земле (плато Путорана). Доказательства вулканизма на горе Ахуна нашли при помощи инфракрасного спектрометра – на вершине и склонах определили отложения карбоната натрия. Вероятнее всего, Ахуна является криовулканом, то есть вулканом извергающим воду с различными примесями. К сожалению, свежих следов вулканизма гора не имеет.

За два года Dawn смог определить множество материалов, которые указывали на прошлую геологическую и химическую активность жидкой воды на Церере: нашлась глина, которая является результатом размывания водой вулканических пород, карбоната натрия и его варианта, связанного с водой в форме гидрокарбоната, более известного как пищевая сода, тоже нашлось много. Органические соединения ответственны за незначительное покраснение в выбросах из некоторых метеоритных кратеров. Более того, оказалось, что эволюция поверхности еще продолжается: со склонов некоторых кратеров сходят оползни, вода испаряется с нагретых солнцем участков поверхности, создает временную атмосферу и оседает инеем в холодной тени.

Самым ярким подтверждением гидротермальной активности на Церере стали те самые яркие пятна в кратере Оккатор. Сам кратер возник примерно 80 миллионов лет назад, но белые отложения, которые тоже оказались содой, моложе его на 30 миллионов лет. Самые свежие отложения – вообще недавние, по геологическим меркам – около 4 миллионов лет. В центре наиболее крупного карбонатного пятна тоже возвышается криовулканический купол, только значительно меньше Ахуны.

Еще одну загадку подкинуло изучение гравитационного поля Цереры. По его результатам плотность верхнего слоя карликовой планеты довольно низкая – ближе ко льду, чем к камню. По более ранним исследованиям вода должна составлять 40–50 % верхней мантии. При этом вызывает удивление стабильность крупных геологических образований, вроде горы Ахуна или многих глубоких кратеров. Обычная мерзлота не удержала бы такие структуры из-за пластичности льда. Получается, что-то внутри «держит каркас». Ученые предположили, что в качестве «арматуры» ледяных недр Цереры выступают клатраты – газовые гидраты – это кристаллические соединения воды и различных газов, которые формируются при определенном соотношении температуры и давления. Например, метановый гидрат из воды и метана возникает при 0 градусах Цельсия при давлении 50 атм. При понижении температуры необходимое давление уменьшается. Клатраты могут быть в 100–1000 раз прочнее льда при той же плотности. То есть, перед нами косвенное доказательство скрытых в недрах Цереры летучих веществ, которых уже нет на поверхности.

Еще одним подтверждением прошлой дегазации Цереры являются обнаруженные цепи небольших кратеров шириной 1–4 километра, длиной до 500 километров. Предположительно они возникли в реголите над трещинами в коре карликовой планеты. Трещины могут иметь разное происхождение: от тектоники, от мощного астероидного удара, от изменения объема космического тела вследствие его остывания. Но каждая из этих причин имеет определенные признаки, которых нет на Церере. Наиболее убедительной гипотезой стала именно дегазация, когда из толщи коры через трещины наружу выделялись потоки газов из внутренних резервуаров.

Самой интригующей находкой на Церере стал аммиак, обнаруживаемый на поверхности с карбонатами и глинами. Аммиак, растворенный в воде, понижает ее температуру замерзания, что позволяет криовулканам извергаться даже при минусовой температуре. Аммиак интересен прежде всего тем, что указывает на происхождение Цереры где-то за пределами ее нынешней орбиты, то есть она пришелец в Главном поясе астероидов.

Такой вывод следует «снеговой линии» – расстояния от Солнца, на котором тепла становится недостаточно для сохранения газообразной формы, что приводит к конденсации газа в твердую форму. Во времена формирования Солнечной системы снеговая линия для воды располагалась на расстоянии примерно 420 миллионов километров от Солнца, то есть примерно там, где вращается Церера. Сейчас водяная снеговая линия располагается еще дальше – около 750 миллионов километров от Солнца, почти у орбиты Юпитера. Ближе этого расстояния вращаются только каменные планеты, спутники и астероиды, лед на которых может быть только у полюсов, или в тени, или под поверхностью. На земных горных вершинах лед держится благодаря атмосферному давлению. Дальше водяной снеговой линии в изобилии летают ледяные кометы, и спутники планет почти все или состоят из льда, или покрыты льдом.

В отличие от воды, аммиак имеет более низкую температуру конденсации, и при формировании Солнечной системы его снеговая линия лежала примерно на 80 миллионов километров дальше орбиты Цереры, то есть он никак не мог принять участие в ее создании. Есть и другие косвенные признаки того, что Церера – гостья в Главном поясе. Как уже упоминалось, воды в карликовой планете несравнимо больше чем в астероидах по соседству. Исключения только в «выродившихся» кометах и дальних астероидах у орбиты Юпитера. Кроме того практически все крупные астероиды Главного пояса имеют собственные семейства, то есть группы мелких астероидов, которые имеют общие спектральные характеристики и близкие орбиты, а у Цереры такого нет.

В целом, следует признать, что Церера по форме и составу больше похожа на большие спутники Юпитера или даже на остальные карликовые планеты, вроде Плутона. Шарообразные спутники Сатурна в основном имеют меньшую плотность, чем Церера, за счет большего содержания льда. Плутон – плотнее ледяных спутников, но до Цереры недотягивает, а она могла набрать плотность за счет «сброса» легких газов уже после приближения к Солнцу. Наклон орбиты Цереры подсказывает, что она прибыла не от Юпитера, так что, возможно, когда-то она была карликовой планетой на задворках Солнечной системы. Возможно, более подробное изучение даст ответы.

Летом 2018 года Dawn перешел на самую низкую финальную орбиту со сближением к поверхности до 35 километров, это обещает новые подробности на поверхности и новые открытия. Хотя в перспективе стоило бы запустить туда и посадочный зонд. Уже совершенных открытий достаточно, чтобы понять ее высокое значение для исследования истории и эволюции Солнечной системы.