Заглянуть внутрь Красной планеты

Марс изучают при помощи автоматических зондов уже более 40 лет. За это время ученые стали лучше понимать процессы, идущие в марсианской атмосфере и сформировавшие ту поверхность планеты, которую мы сейчас наблюдаем. Однако о том, что творится в ее глубинах, мы знаем по-прежнему мало. Как Марс генерировал свое магнитное поле и когда его потерял, какова толщина коры и протяженность мантии, в каком агрегатном состоянии находится и существует ли внутреннее ядро, активна ли сегодня Красная планета вулканически? На эти и другие вопросы должен найти ответы новый марсианский автоматический «геолог» — миссия InSight, старт которой запланирован на субботу. Редакция N + 1 решила разобраться, каких же научных результатов ждут от аппарата ученые, и поговорила об этом с Игорем Митрофановым, руководителем отдела ядерной планетологии ИКИ РАН, чьи приборы работают на марсоходе «Кьюриосити» и орбитальном аппарате «Марс Одиссей».

Сегодня космонавтика переживает настоящий «марсианский бум»: только в ближайшие три года должны стартовать сразу шесть миссий на Красную планету. Во многом это связано с тем, что соседка Земли действительно выглядит привлекательной — она не так близка к Солнцу, как Меркурий, и не окутана серными облаками, в отличие от Венеры. Ученые уже неоднократно обсуждали возможность колонизации Марса, но прежде чем вступать во вторую эпоху Великих географических открытий и отправлять поселенцев на безжизненные земли, необходимо собрать большое количество научных данных и отработать множество технологий.

«Марсианский бум» также имеет и менее романтическое основание. Пусковые даты для миссий выбираются не случайно: космические агентства стараются сократить расходы и поэтому назначают день старта на тот момент, когда расстояние между планетами минимально. В июле 2018 года произойдет великое противостояние Марса — Земля и Марс выстроятся в одну линию относительно Солнца, а дистанция между их орбитами будет наименьшей. В среднем, такое событие случается раз в 15–17 лет, и NASA решило использовать момент для запуска миссии InSight.

Название миссии расшифровывается как «Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport» — «Исследование строения Марса на основе данных сейсмографии, геодезии и терморазведки». Ее главная задача заключается в изучении внутренней структуры Марса, с ее помощью исследователи хотят понять, как формировались и эволюционировали скалистые планеты, в том числе и наша Земля, а также определить текущую тектоническую активность Марса и частоту падения на него метеоритов. Аппарат будет определять протяженность, плотность и общую структуру ядра, мантии и коры Красной планеты, а также скорость, с которой тепло переносится из ее недр к поверхности.

«До вопросов внутреннего строения добираются именно сейчас, и главный вопрос, который всех интересует — насколько внутренние области Марса сохранили свою активность. Есть ли там какие-то сейсмические явления, и если есть, то что конкретно происходит, какие эффекты там можно наблюдать», — рассказывает Игорь Митрофанов.

«Мы предполагаем, что, скорее всего, ядро Марса еще не застыло, оно безусловно имеет сложную структуру, но интересным является вопрос, как происходит это остывание — есть там конвективные процессы или нет? Как организован поток энергии из внутренних частей Марса к его поверхности? Кроме сейсмической активности, очень интересно узнать о существовании процессов, которые связаны с вулканизмом. На современном Марсе нет известных активных вулканов, но мы знаем, что в древности вулканы были активны, например гора Олимп, представляющая собой гигантский вулкан», — продолжает Митрофанов. «Внутри Земли есть горячие точки, и интересно, есть ли на Марсе такие активные геотермальные области под поверхностью Марса. Это может быть связано с проблемой метана. Известно, что в марсианской атмосфере есть метан, непонятно его происхождение и поведение — иногда метан регистрируется, а иногда он пропадает. Возникает вопрос, с чем это связано — с внутренней геотермальной активностью или там есть какие-то сезонные изменения или локальные области, где есть источники метана. Все это связано с внутренним строением Марса».

Место, где аппарат с вероятностью 99 процентов сядет на поверхность планеты, представляет собой эллипс размером 130 на 27 километров и находится на равнине Элизий, которая достаточно удобна и ровна для безопасной посадки и близка к экватору, чтобы солнечные батареи аппарата смогли питать его в течение двух лет (или 708 солов). Сам аппарат состоит из посадочной платформы, несущей научные приборы, и летного модуля, который призван доставить платформу с околоземной орбиты до Марса, преодолеть его атмосферу и обеспечить возможность мягкой посадки на поверхность планеты. Конструкция InSight в целом похожа на конструкцию миссии Phoenix, исследовавшей северный полярный регион Красной планеты в 2007 году. Например, у них одинаковый дизайн двух солнечных панелей и посадочной платформы, что позволило снизить стоимость миссии и возможные риски.

«NASA очень хорошо планирует свои миссии, и этот проект, по сути дела, повторяет в технологическом плане проект Phoenix, успешную марсианскую миссию с совершенно другими задачами. Но при этом был разработан очень хороший аппарат, он показал свою надежность, свою работоспособность. И теперь на базе этого аппарата, используя известные уже технологические решения, сделана совершенно другая машина, для других научных задач. Это очень правильный подход, когда люди по максимуму используют технологические разработки из предыдущих миссий», — рассказывает Митрофанов.

Научная нагрузка миссии состоит из нескольких приборов и двух камер — цветной и черно-белой, которые похожи на камеры, установленные на марсоходах, работающих сейчас на Марсе. Одна из камер расположена на роботизированной руке посадочной платформы, другая находится на ее нижней части. Кроме того, аппарат оснащен датчиком погоды TWINS (Temperature and Winds for InSight), определяющим скорость ветра и температуру окружающего воздуха, магнетометром, барометром, а также уголковым отражателем LaRRI (Laser RetroReflector for InSight), который будет работать в роли лазерного дальномера для орбитальных аппаратов. Кроме того, у миссии будет три основных научных прибора.

Прибор для проведения одноименного эксперимента RISE (The Rotation and Interior Structure Experiment) займется изучением размера и плотности марсианского ядра путем оценки скорости прецессии и нутации оси его вращения, которые связаны с доплеровским сдвигом в частоте радиосигналов, передаваемых с наземных станций на посадочный модуль и обратно. По ним будут вычисляться полный полярный момент инерции и картина распределения массы внутри планеты, в частности можно будет определить, насколько жидкое ядро у Марса. Кроме того, прибор даст более точные оценки изменения скорости вращения планеты, которые вызваны сезонным перераспределением запасов углекислоты между атмосферой и полярными шапками.

Сейсмометр SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) предназначен для точных измерений тектонической активности Марса, а также частоты падения метеоритов на поверхность планеты. Сопоставление данных сейсмометра с данными о погоде, ветре и возмущениях магнитного поля поможет выявить колебания поверхности, создаваемые пылевыми бурями или турбулентными процессами в атмосфере. На поверхность Марса куполообразный прибор, общая масса которого составляет почти 30 килограмм, опустит 2,4-метровая роботизированная рука IDA (Instrument Deployment Arm). Именно из-за разгерметизации сенсоров сейсмометра полет InSight, первоначально запланированный на 2016 год, пришлось отложить на два с лишним года.

Инструмент HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) предназначен для измерения тепловых потоков в марсианском грунте. Он представляет собой термоленту с закрепленными на ней датчиками температуры, сделанными из платины, нагревателями и датчиками наклона для определения положения инструмента. Вводиться лента в толщу грунта будет при помощи электромеханического бура, способного погружаться в почву на глубину до пяти метров, который будет опущен на поверхность Марса при помощи роботизированной руки. Для сравнения — рекордная глубина, до которой добирался марсоход «Кьюриосити», составляет 7,5 сантиметра. Однако для полноценного анализа грунта инструмент не предназначен, хотя сможет получить некоторую информацию о минеральном составе на основе данных о теплопроводности различных участков почвы. 

Помимо основной научной программы намечена дополнительная, получившая название Mars Cube One или MarCO, в рамках которой на Марс отправятся два идентичных спутника-кубсата формата 6U. Они отделятся от основного аппарата после его вывода в открытый космос и направятся к Красной планете по другим траекториям, при этом на орбиту Марса они не выйдут, а пролетят мимо. Цель этой программы — проверка выживаемости аппаратов подобного типа в глубоком космосе и демонстрация возможности построения системы связи на их основе. Основной задачей двух кубсатов станет передача данных с основного аппарата на Землю во время фазы спуска и посадки на поверхность Марса. Также двумя небольшими, но важными посланцами на Красную планету станут два 8-миллиметровых кремниевых чипа, на которых записано около 2,4 миллиона имен людей, оставивших свои заявки на сайте NASA в 2015 и 2017 годах. Оба чипа навсегда останутся на поверхности планеты вместе с посадочной платформой, на которой они установлены.

Начало путешествия миссии к Красной планете намечено на субботу, двухчасовое стартовое окно открывается в 14:05 по московскому времени. Запуск будет производиться с космодрома на военно-воздушной базе Ванденберг в штате Калифорния, в космос миссию будет выводить ракета-носитель Atlas V-401. Если запуск по каким-то причинам будет отменен, то стартовый период, в который можно его совершить, продлится до 8 июня 2018 года. 

Полет до марсианской орбиты займет шесть месяцев, на протяжении которых аппарат будет производить проверку своих систем, калибровку приборов и подготовку к предстоящей высадке. Затем начнется самая ответственная часть миссии, которая займет всего шесть минут. Аппарат войдет в марсианскую атмосферу в расчетном месте на скорости 6,3 километра в секунду и начнет управляемый спуск. От перегрева его будут защищать теплозащитные экраны, которые были сделаны более толстыми по сравнению с миссией Phoenix — инженеры учли влияния пылевых потоков. Затем будет открыт парашют, который также был сделан более прочным, сброшены теплозащитные экраны и раскрыты три посадочные опоры. Когда платформа окажется достаточно близко к поверхности, парашют будет сброшен и окончательное торможение и приземление будут производиться при помощи двенадцати двигательных устройств, управляемых бортовым компьютером.

Первые научные данные от миссии ожидаются не сразу — в случае успешной посадки начнется двухмесячный этап развертывания научной аппаратуры. Вполне возможно, вначале мы увидим фотографии с камер — предполагается, что это произойдет в начале декабря этого года. Остается надеяться, что все предстоящие этапы миссии на пути к Марсу закончатся успешно и мы сможем узнать больше о секретах, скрытых в толще Красной планеты.

«Миссия безусловно важная, и она поможет помочь нам понять природу Марса и характер его эволюции. Что касается науки, то, безусловно, очень интересно было бы получить данные о внутреннем строении Марса. Я думаю, что результаты измерения сейсмических эффектов будут очень важны для того, чтобы понять, что же произошло с Марсом, какие процессы все еще происходят, а где можно считать, что он уже «потух», — говорит Игорь Митрофанов.

Александр Войтюк