3 августа 2011 исполнилось семь лет со дня запуска, а 18 сентября - пол года с момента выхода американского КА Messenger на орбиту вокруг Меркурия. Аппарат отработал половину срока, и пришло время подвести некоторые промежуточные итоги: что же удалось исследовать и открыть «Мессенджеру» на орбите самой близкой к Солнцу планеты?

Когда аппарат MESSENGER вышел на орбиту Меркурия Почтовая служба США выпустила марку. Аппарат стал первым искусственным спутником Меркурия.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Объем новых научных данных о Меркурии, полученный за эти полгода, фактически уже превышает то количество знаний, которое человечество накопило за предыдущие столетия исследований с помощью оптических телескопов, радиотелескопов и во время пролетов двух КА - Mariner 10 в начале 1970-х и самого «Мессенджера» в конце первого десятилетия нового века. Некоторые ученые даже полагают, что этот аппарат начал переписывать историю Меркурия в частности и Солнечной системы в целом...


     Напомним, что 18 марта 2011 г. Messenger осуществил выход на орбиту вокруг Меркурия с параметрами:

     >- наклонение - 82.52°;
     >- высота в перицентре - 207 км;
     >- высота в апоцентре - 20144 км;
     >- период обращения -12.07 час.

     Перицентр оказался над 59.98° с. ш. и должен был оставаться в пределах от 56° до 62° в течение всего полета. Прямое восхождение восходящего узла орбиты составило 350.17°.
     Примерно три недели потребовалось, чтобы убедиться, что все системы работают нормально, и выполнить калибровку и приемку научной аппаратуры. 4 апреля аппарат приступил к выполнению запланированной научной программы.
     6 мая КА закончил свой 100-й виток вокруг планеты. К этому моменту он уже выполнил более 2 млн команд, провел 70 млн отдельных измерений магнитного поля планеты, сделал 300000 спектральных наблюдений поверхности в видимом и ИК-диапазоне, прозондировал элементный состав коры Меркурия в 12000 точках в рентгеновском диапазоне и в 16000 точках в гамма-лучах и, наконец, - сделал 16000 снимков.
     «С развертыванием орбитальной фазы миссии мы создаем первую полную «картину» самой внутренней планеты, - отметил Шон Соломон (Sean Solomon), научный руководитель проекта из Университета Карнеги в Вашингтоне. - Поверхность Меркурия открывается перед нашими глазами в больших деталях... С ростом активности Солнца исключительно динамичная экзосфера планеты и ее магнитосфера продолжают открывать нам новые явления».
     Май и первая половина июня стали первым из четырех «горячих сезонов», которые предстоят «Мессенджеру» за один земной год работы на орбите вокруг Меркурия. Слово «горячий» используется тут в самом прямом смысле - температура внешней стороны солнцезащитного экрана аппарата достигала +350°С! Почему так происходит? Для ответа на этот вопрос нужно немного поговорить о баллистике.

Очень эффектный снимок кратера Дега (Degas), который был сделан в ходе целевой съемки (разре шение 90 м на пиксел). Отчетливо виды отложения яркого вещества на его дне и стенках. Кратер составляет 52 км в диаметре и имеет центр в точке с координатами 37.1'с.ш., 232.8' в. д. Слева (для сравнения) - снимок кратера Дега, полученный "Маринером-10"

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Во-первых, Меркурий находится на сильно вытянутой орбите. Расстояние между ним и Солнцем меняется от 69.8 до 46.0 млн км, и в перигелии поток солнечного излучения оказывается в 2.3 раза выше, чем в афелии. В момент начала орбитального полета Меркурий был вблизи перигелия, который прошел 16 марта. К 29 апреля планета достигла афелия, а уже 12 июня, завершив виток, вновь вышла на минимальное расстояние от Солнца.
     Во-вторых, на тепловой режим КА непосредственно влияет положение плоскости его орбиты относительно направления на Солнце. Эта плоскость в первом приближении неподвижна в пространстве, так что за один меркурианский год (88 земных суток) дважды складывается ситуация, когда Солнце находится сбоку - и тогда аппарат все время освещен его лучами. В промежутках между этими периодами станция заходит в тень, максимальная продолжительность которой (29 мая) достигала 62 минут.
     В-третьих, очень важно, над каким полушарием находится перицентр сильно вытянутой орбиты «Мессенджера». Раз в 12 часов аппарат проходит над планетой на высоте от 200 до 500 км, и если это происходит над освещенной - и раскаленной! - стороной Меркурия, на КА действует двойная доза излучения - от светила и от планетной «печки».
     Так вот, на рубеже мая и июня орбита «Мессенджера» пролегала так, что на каждом витке сначала в течение часа он проходил между Солнцем и освещенной стороной Меркурия, а затем надолго попадал в тень планеты, питаясь примерно в течение часа от аккумуляторных батарей.
     Мощный нагрев и значительные перепады температуры между освещенной и теневой частью витка являются большим риском для механических и электронных систем КА. Разумеется, при планировании полета закладывались такие параметры орбиты, чтобы Messenger имел возможность охлаждать себя, отводя тепло в открытый космос. При прохождении самых «горячих» участков орбиты принимались специальные меры. Так, панели солнечных батарей КА разворачивались, чтобы они не «смотрели» ни на Солнце, ни на поверхность планеты. Сам аппарат ориентировали так, чтобы тепловое излучение со стороны Меркурия не повредило его систем. Наконец, все инструменты, кроме гамма-спектрометра в составе GNRS, временно отключались, чтобы уменьшить внутренний тепловой поток, а заодно и общее энергопотребление КА в тени.
     Вот такой «горячий» сезон - первый из четырех - завершился 12 июня. Июнь вообще был самым «богатым» на вехи месяцем в графике полета: 12 июня КА прошел вместе с планетой перигелий ее орбиты, 13 июня закончился первый с 18 марта меркурианский год, 14 июня было верхнее соединение с Солнцем, а 15 июня состоялась первая коррекция.
     Messenger начал свой второй меркурианский год, находясь в заключительной фазе четырехдневного верхнего соединения с Солнцем (кстати, десятого за время полета). В этот период станция по определению находится за Солнцем, и связь с ней невозможна. Телеметрия вновь начала поступать с «Мессенджера» 14 июня и показала нормальную работу всех систем.

График распространенности основных химических элементов коры Меркурия по данным спектрометра XRS. Видно, что соотношение алюминий/кремний ниже, а магний/кремний выше, чем у типичных лунных материалов и земных базальтов. Следовательно, на Меркурии меньше полевых шпатов.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     15 июня аппарат успешно выполнил коррекцию орбиты ОСМ-1, целью которой было уменьшение высоты перицентра орбиты с 506 до 200 км. Дело в том, что орбита КА постоянно претерпевает изменения из-за гравитационных возмущений со стороны Солнца, и особенно они отражаются на высоте перицентра «Мессенджера». Это был первый из пяти запланированных маневров, которые призваны сохранить требуемые параметры орбиты КА и оптимальные условия для научных наблюдений.
     Маневр начался при прохождении апоцентра орбиты в 19:39:49 UTC. Поскольку КА находился на расстоянии 198 млн км от Земли, группа управления в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHU APL) получила подтверждение начала работы ДУ через 10 мин 58 сек, когда станция Сети дальней связи в Голдстоуне (Калифорния, США) отметила ожидаемое изменение частоты принимаемого сигнала. Суммарная длительность маневра составила 172 сек, при этом сначала работали четыре ЖРД малой тяги, обеспечивая осадку компонентов топлива, затем был включен на 15 сек маршевый двигатель тягой 679.5 Н, а остаток импульса был выдан на малых ЖРД. Полученное приращение скорости составило 27.84 м/с и оказалось на 0.0276 м/с меньше расчетного при ошибке в 0.061° по направлению. В результате фактическая высота перицентра оказалась на 414 метров (!) выше расчетного значения 200 км.
     26 июля Messenger осуществил вторую коррекцию орбиты (ОСМ-2), целью которой было сделать период обращения КА кратным земным суткам. Импульс начался в 21:20 UTC, длился 188 сек и обеспечил приращение скорости около 4 м/с. Период обращения КА вокруг Меркурия был увеличен с 11 час 48 мин до 12 час ровно, высота перицентра осталась неизменной (326 км). На маневр ушло 1.9 кг бортового запаса топлива.
     Второй «жаркий сезон» начался 9 августа и продолжался около месяца. При этом в период с 20 по 29 августа на каждом витке аппарат входил в тень Меркурия продолжительностью до 58 минут. На этот раз операторы больше доверяли характеристикам аккумуляторной батареи, так что оставляли в работе два прибора -гамма- и нейтронный спектрометр GRNS и магнитометр MAG.
     7 сентября в 15:08 UTC была проведена коррекция ОСМ-3 суммарной продолжительностью 166 сек. Она вернула перицентр, поднявшийся к тому времени до 467 км, на номинальную отметку 200 км, за счет снижения периода обращения до 11 час 46 мин. Следующая коррекция ОСМ-4 запланирована на 24 октября - в ходе ее аппарат поднимет апоцентр и восстановит 12-часовой период обращения.


     Основные направления изучения Меркурия с орбиты его искусственного спутника - это геохимия, геофизика, геологическая история планеты, исследования атмосферы, магнитосферы и плазменной среды. Просуммируем вкратце, что аппарату удалось выяснить.
     Камера MDIS получила уже десятки тысяч снимков с орбиты с целью составления глобальной монохромной стереокарты со средним разрешением 250 м, а также глобальной цветной карты в восьми спектральных полосах с разрешением 1.2 км. На них Меркурий впервые будет представлен при оптимальных условиях наблюдения.

В центре - мозаика северного полушария Меркурия с разрешением 500 м. Виден ударный кратер, который несколько раз был картографирован высотомером MLA. Центр его находится в точке 82.3* с. ш., 342.8* в. д.; кратер имеет 24 км в диаметре. Снизу - топографический контур приполярного северного кратера на основе нескольких профилей, сделанных MLA. Математические расчеты показывают, что в самую южную часть дна этого кратера никогда не попадали солнечные лучи.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Так как основная миссия «Мессенджера» охватывает два полных дня Меркурия (каждый из них равен 176 земным суткам и трем местным годам!), имеется две возможности съемки каждой области в почти одинаковых условиях освещения. На первые меркурианские сутки запланирована съемка более 90% поверхности. Если что-то не удастся снять с первой попытки, фотографирование можно будет повторить во вторые солнечные сутки; кроме того, можно будет провести детальные съемки отдельных приоритетных объектов и получить стереопары к снимкам первого «дня».
     После анализа изображений в северной полярной области выявлены обширные зоны равнин, которые, вероятно, содержат вулканические отложения толщиной до нескольких километров. Снимки, выполненные до этого во время пролетов над экваториальными широтами планеты, имели низкое разрешение и не позволяли сделать выводы о природе этих равнин. Теперь считается установленным, что большая часть коры планеты сформирована вулканическими процессами на протяжении почти всей ее истории, несмотря на общую тенденцию к сжатию поверхностных слоев, которое препятствовало выходу наружу вулканического материала.
     Еще во время трех пролетов «Мессенджера» камера MDIS выявила яркие пятнистые отложения на дне некоторых кратеров Меркурия. К июню MDIS получила снимки непонятных структур с разрешением до 10 м, и оказалось, что это группы углублений неправильной формы (без окружающих их валов) размером от сотен метров до нескольких километров. Многие углубления окружены диффузными гало с еще более высокой отражающей способностью. Они обнаруживаются на центральных пиках, кольцах и валах кратеров.
     «Такие «гравированные» структуры рельефа не похожи ни на что виденное нами ранее на Меркурии или на Луне, - объясняет Бретт Деневи (Brett Denevi), научный сотрудник АРЦ член съемочной группы проекта Messenger. - Мы продолжаем спорить об их происхождении, но они представляются относительно молодыми, и это позволяет полагать, что в коре Меркурия летучие компоненты распространены в большем, чем ожидалось, количестве».
     С помощью рентгеновского спектрометра XRS оценены соотношения распространенности элементов магний/кремний, алюминий/кремний и кальций/ кремний. Из них следует значительное отличие вещества Меркурия от лунного - породы с высоким содержанием полевых шпатов менее распространены, чем на Луне, где они доминируют.

«Тут кто-то порылся...» Съемка дна ударного кратера под 44.0'с.ш., 290.9'в.д. с разрешением 21 м выявила комплекс нерегулярных углублений размером от сотен метров до км, окруженных материалом с высокими отражающими свойствами. Эти структуры считаются свидетельством наличия летучих веществ в грунте Меркурия.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     XRS также выявил значительное содержание серы на поверхности Меркурия, подтвердив предположения о наличии сульфидных минералов, сделанные после спектральных наблюдений на земных телескопах. Это открытие свидетельствует в пользу того, что «строительные блоки» вещества, из которого образовался Меркурий, не так сильно подвергались процессам окисления, как материал, пошедший на формирование других планеты земной группы. Отсюда вытекают интересные следствия относительно природы и истории вулканизма на Меркурии.
     Гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр GRNS зафиксировал распад радиоативных изотопов калия и тория, что позволило определить содержание этих элементов в веществе Меркурия. Количество калия в грунте и его соотношение с торием исключает ряд предыдущих теорий, согласно которым летучих веществ в поверхностном слое планеты должно быть крайне мало. Соотношение калий/торий оказалось примерно таким же, какое было обнаружено на других планетах земной группы.
     Высотомер MLA ведет систематическую топографическую съемку северного полушария Меркурия с высоты не более 1800 км. Сведя воедино более двух миллионов отдельных лазерных измерений, ученые определили его рельеф в целом и составили детальные профили отдельных геологических структур. В частности, было установлено, что в северной части Меркурия распространены низменности и что разница между самыми высокими и самыми низкими областями превышает 9 км.
     В связи с этим можно вспомнить серию наблюдений с Земли, проведенную около двух десятилетий назад, когда обнаружилось, что на обоих полюсах планеты есть отложения, характеризующиеся высокой степенью обратного рассеивания при радиолокации. Тогда предположили, что эти отложения состоят из водяного льда и других летучих веществ, которые могут сохраняться на дне ударных кратеров на высоких широтах планеты. Измерение с помощью MLA глубин кратеров вблизи северного полюса Меркурия, содержащих предполагаемые отложения, подтвердило, что их дно никогда не освещается Солнцем, а следовательно, там может сохраняться водяной лед.
     Очень интересные данные принесли регулярные измерения магнитного поля планеты, которое примерно в 100 раз слабее земного. Оказалось, что - как и на Земле - северный и южный магнитные полюса Меркурия находятся в полярных областях вблизи противоположных по названию географических полюсов. Однако магнитный экватор Меркурия (совокупность точек, в которой направление линий напряженности магнитного поля параллельно оси вращения планеты) смещен примерно на 500 км к северу от географического экватора.
     «Этот выдающийся результат указывает на фундаментальную разницу процессов, которые играют ключевую роль в генерации магнитного поля на Меркурии, по сравнению с теми, что важны для земного магнитного поля, - считает профессор Катерина Джонсон из Института планетологии Университета Британской Колумбии. - Полученный результат может иметь важные следствия для внутренней динамики планеты и процесса ее охлаждения в настоящее время».

По аналогии с Землей Меркурий имеет свои магнитные полюса, которые приблизительно совпадают с географическими, однако его магнитный экватор сдвинут к северу примерно на 500 км. В результате этой асимметрии магнитная среда на полюсах существенно различается. Область магнитной «полярной шапки», где силовые линии магнитного поля не замкнуты и уходят в космос, на юге оказалась значительно обширнее, чем на севере. Т.о., южный полюс Меркурия менее защищен от бомбардировки заряженными частицами солнечного ветра, и соответственно поверхность здесь больше подвержена космическому выветриванию, чем на севере.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Не остался в стороне и спектрометр энергичных частиц и плазмы EPPS, прояснив одну старую загадку. Еще в 1974 г. в ходе первого пролета у Меркурия КА Mariner 10 зарегистрировал в магнитосфере планеты четыре случая прихода энергичных заряженных частиц. В то же время Messenger не обнаружил увеличения интенсивности потоков электронов и ионов ни в одном из своих пролетов у Меркурия в 2008-2009 гг.
     Ситуация, однако, изменилась после выхода на орбиту, проходящую над околополярными областями, - начиная с 27 марта EPPS стал регистрировать потоки электронов с энергиями от 10 до 200 кэВ и более на большинстве витков вокруг Меркурия. События, как правило, происходили на широтах от 30° до 80° вблизи местной полуночи, при этом интенсивность потока электронов с энергиями до 100 кэВ возрастала в 10—1000 раз всего за несколько секунд. В то же время подтвердить выводы группы «Маринера» о мощных потоках электронов с энергиями свыше 300 кэВ или протонов не удалось.
     Магнитосфера Меркурия значительно меньше земной по размерам, а атмосфера практически отсутствует, поэтому генерация и распределение электронов высоких энергий не такие, как на Земле. По одной из версий, за генерацию этих частиц отвечает «двойной слой» - плазменная структура с мощными электрическими полями, располагающимися вдоль [линий] магнитного поля. Другое объяснение связывает их с индукцией, вызванной быстрыми изменения в самом магнитном поле. Какой из двух указанных процессов является доминирующим, будет предметом серьезных изысканий в ближайшие месяцы.
     Пока исследования Меркурия приборами «Мессенджера» рассчитаны до 18 марта 2012 г. Если полет не продлят (а это решение будет зависеть от состояния бортовых систем и ресурсов топлива), то, по расчетам баллистиков, КА будет постепенно снижаться и упадет на поверхность Меркурия 7 августа 2014 г. где-то на 64-м градусе северной широты.