На Меркурий за водой

Меркурий — самая близкая к Солнцу планета — остается самым малоисследованным небесным телом земной группы, куда помимо него входят планеты с твердой поверхностью: Венера, Земля и Марс. До сих пор Меркурий на его поверхность. Завтра к Меркурию отправится европейско-японская миссия «БепиКоломбо», и это уже не один аппарат, а сразу три: перелетный модуль и два орбитальных зонда. На их борту будут работать и приборы, созданные российскими учеными. Редакция N + 1 попросила Игоря Митрофанова, руководителя Отдела ядерной планетологии Института космических исследований РАН, рассказать об этих приборах и о том, что с их помощью собираются найти на планете.

N + 1: Ваша лаборатория создала уже целую серию приборов, которые сейчас работают на борту зонда «Марс-Одиссей», на лунном аппарате LRO, на марсоходе «Кьюриосити». Прибор для Меркурия продолжает этот ряд, это снова нейтронный телескоп?

Игорь Митрофанов: Нет, это несколько другое устройство, похожее, скорее, на то, что мы создавали для потерянного «Фобос-Грунта». В нем, в отличие от наших прежних приборов, объединены нейтронный и гамма-спектрометр. Если HEND на «Марс-Одиссее», LEND на аппарате LRO и DAN на «Кьюриосити» видят только нейтроны, то в этом приборе — он называется «Меркурианский гамма-нейтронный спектрометр» (МГНС) — объединены нейтронные и гамма-детекторы, они работают с одним блоком электроники, в рамках одной логики.

Нельзя сказать, что это первая попытка совместить два этих канала. Подобный прибор, аналогичный инструмент, стоял на аппарате Lunar Prospector, и даже на «Мессенджере» стоял похожий прибор — GRNS, это был гамма-спектрометр на основе высокочистого германия. Это хороший выбор, он очень хорошо измеряет ядерное излучение. Но он очень капризный, он требует криогенного охлаждения, у него быстро ухудшается разрешение под действием радиации, он весит около 10-15 килограммов. И поэтому с этим прибором у наших американских коллег было довольно много проблем.

На «БепиКоломбо» наши европейские партнеры дали нам лимит массы до 5,5 килограмма на все — и на гамма, и на нейтроны, поэтому мы отказались от высокочистого охлаждаемого германия и наш гамма-спектрометр основан на другом типе сцинтиллятора. Это CeBr₃, имеющий примерно такую же чувствительность, хотя и худшее спектральное разрешение, но при этом не требующий системы охлаждения.

Как любой сцинтиллятор, CeBr₃ выдает вспышку, яркость которой пропорциональна энергии гамма-кванта. Мы регистрируем интенсивность этих вспышек и можем строить спектры, где, как в обычном оптическом спектре, есть линии, соответствующие определенным ядрам.

Далее остается только залезть в справочник и посмотреть, какие ядра излучают на этой энергии. И по нескольким линиям можно этот конкретный изотоп или этот конкретный элемент отождествить. Так по этому «лесу гамма-линий» можно судить о химическом составе источника гамма-излучения, то есть в данном случае о химическом составе поверхности Меркурия.

Причем это не значит, что мы можем фиксировать только радиоактивные элементы, атомы которых испускают гамма-излучение постоянно. Дело в том, что поверхность Меркурия не защищена атмосферой и по ней постоянно бьют частицы космических лучей. Эти частицы возбуждают все ядра, в том числе стабильные — все основные породообразующие элементы: и железо, и титан, и алюминий. Они как колокольчики, по ним стучат заряженные частицы, и они в ответ испускают гамма-кванты, которые прилетают к нам на орбиту, где мы их регистрируем, раскладываем по энергетическому спектру и по соотношению интенсивности линий и тому, какие линии мы видим, можем определить, какие там есть элементы. То же самое происходит и на Луне, и на Марсе, и там эта методика уже использовалась.

Хотя на «Мессенджере» уже стоял похожий прибор, но этот зонд летал по очень вытянутой орбите и близко к поверхности Меркурия подходил лишь в районе северного полюса. Поэтому «Мессенджер» достаточно хорошо измерил химический состав поверхности только в окрестностях северного полюса. У «БепиКоломбо» орбита будет тоже эллиптическая, но не настолько вытянутая, и ее ближайшая к поверхности точка будет у экватора. Поэтому наш гамма-спектрометр впервые сможет хорошо разглядеть окрестности южного полюса и южное полушарие в целом. То есть мы для южного полушария сможем получить такие же данные, какие «Мессенджер» получил для северного, и отчасти проверить данные «Мессенджера».

А что насчет нейтронной «половины» прибора? Она ведь предназначена для поиска воды, но на Меркурии лед уже найден, так?

Вы не ошибаетесь. Еще в 1992 году, во время радарного зондирования Меркурия с помощью 70-метровой антенны в Голдстоуне и радиотелескопов VLA и Аресибо, были обнаружены признаки присутствия льда на его поверхности. Если коротко, то отраженный сигнал оказался значительно сильнее, чем можно было ожидать от поверхности Меркурия, сложенной в основном силикатными породами, а лед как раз очень хорошо отражает радиосигнал. Кроме того, радары отправляли к Меркурию поляризованный сигнал, а отраженный сигнал был деполяризован — это тоже признак льда. Причем, чтобы этот эффект наблюдался, там должны быть не микроны, не миллиметры, не сантиметры водяного льда, а мощный, метровый слой чистого льда.

Затем следы льда увидели с «Мессенджера». Его нейтронный спектрометр обнаружил области ослабления потока эпитепловых нейтронов над северным полюсом Меркурия — это означает, что в грунте много водорода, который хорошо поглощает нейтроны, а водород — это, скорее всего, вода. Кроме того, лазерный альтиметр на борту аппарата обнаружил изменения коэффициента отражения от поверхности, что можно было интерпретировать как отражение от поверхности льда.

Получилось, что сначала земная радиоастрономия увидела признаки льда, а уже потом с борта зонда разглядели рельеф поверхности и увидели, что эти признаки сосредоточены в основном в постоянно затененных кратерах. Именно там лазерный альтиметр и обнаружил сильное отражение, свидетельствующее о присутствии водяного льда.

Но это все сделано с «Мессенджера» только для северного полюса. А мы сможем проверить, насколько южный полюс похож на северный. То есть это ослабление потока нейтронов из-за присутствия воды на южном полюсе еще никем не проверялось. Но радиолокация показывает, что и на южном полюсе тоже есть районы, которые по радиоотражению дают признаки водяного льда.

Интересно, что данные по северному полюсу Меркурия почти точно соответствуют тому, что мы все ожидали увидеть на Луне. В начале 2000-х годов, когда уже были данные с «Лунар Проспектора», все думали, что у лунных полюсов, в постоянно затененных кратерах, должны быть большие запасы воды, которые там накапливались миллиарды лет за счет падений комет, за счет имплантации частиц солнечного ветра. Но при этом радарные наблюдения ничего похожего не показывали, хотя Луну наблюдать этим способом на порядки проще, чем Меркурий.

Потом данные LRO, в том числе нашего прибора LEND, показали, что та вода,

, совсем не обязательно лежит в этих постоянно затененных кратерах. Границы вечной тени и границы зон, где фиксируется присутствие воды в грунте, на Луне не совпадают. А на Меркурии лед действительно лежит в постоянно затененных кратерах, и это хорошо видно. То есть распределение льда на Меркурии и на Луне оказывается разным.

Возможно, тут важную роль играет магнитное поле Меркурия. У Луны нет магнитного поля, и солнечный ветер фактически летит по касательной к поверхности в районе полюсов. А на Меркурии есть магнитное поле, и оно «канализирует» эту космическую плазму, которая падает, как и на Земле, сверху на полюса.

Если говорить о происхождении воды из солнечного ветра на Луне, то там важно, что участвует вся поверхность. Потому что солнечный ветер колотит по экваториальной поверхности, попадает в реголит, образует гидроксил, включает еще один водород - так возникает молекула воды, которая начинает «прыгать» в экзосфере. В итоге она «допрыгивает» до полюсов и там, в зоне вечной тени, «примерзает».

А на Меркурии ситуация иная, там солнечный ветер не попадает в район экватора, и этот механизм образования молекул воды работает не так, как на Луне. Но это нужно изучать, и одна из задач миссии «БепиКоломбо» — понять, в чем различие полярной Луны и полярного Меркурия. Почему, хотя у них на полюсах есть затененные области, такие же очень низкие температуры, на Луне и Меркурии по-разному распределены летучие соединения.

Но поисками воды и изучением элементного состава грунта задачи миссии не ограничиваются. Напомню, что миссия состоит из трех космических аппаратов: перелетного модуля и двух его «пассажиров», которых он должен доставить к Меркурию, — европейского орбитального зонда Mercury Planetary Orbiter (МPO) и его японского собрата Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). У миссии две стратегические задачи: изучить поверхность планеты Меркурий, и это будет делать MPO, и изучить магнитосферу Меркурия и все процессы, происходящие в магнитосфере. Это задача ММО.

Меркурий ведь расположен очень близко к Солнцу. Надо ли вам как-то глушить поток излучения от него?

От Солнца не исходит постоянный поток нейтронов и гамма-излучения. Гамма-излучение исходит только во время солнечных вспышек. И у нас есть специальный режим: когда прибор распознает, что началась солнечная вспышка, мы «забываем» про Меркурий и начинаем с высоким разрешением мерить нейтроны и гамма-фотоны уже для того, чтобы изучить именно ее, будем работать в режиме солнечного телескопа.

Создание российского прибора финансировалось за счет Федеральной космической программы?

Когда ESA проводило отбор научной аппаратуры, они сообщили, что также готовы рассматривать иностранные предложения. И мы написали наше предложение и выиграли в этом конкурсе. ESA сообщило, что они готовы проводить наш эксперимент у себя на борту при условии, что Роскосмос разработает и предоставит наш прибор. Было подписано соглашение между ESA и Роскосмосом, это произошло еще в 2004 году. Для нас это стало первым совместным проектом с европейцами, нам пришлось изучать их стандарты, их правила, чтобы им соответствовать.

Стоил этот проект порядка 100 миллионов рублей. В нем, помимо ИКИ, участвовал Объединенный институт ядерных исследований в Дубне — там проводились основные испытания и ядерно-физические расчеты. Участвовал Институт машиноведения, где решали очень серьезную задачу: как хрупкий сцинтиллятор, достаточно массивный и большой, разместить в нашем детекторе так, чтобы успешно пройти виброиспытания и ударные испытания? Всероссийский институт минерального сырья делал детектор на базе этого кристалла.

Аппарату предстоит лететь до Меркурия целых семь лет, будут ли его приборы включаться по дороге?

Да, и уже вскоре после того, как «БепиКоломбо» будет запущен, начнется так называемый процесс «commissioning». То есть нам дадут включить все наши приборы и проверить, все ли работает в штатном режиме, нормально ли прошел взлет, уцелели ли наши приборы на этапе запуска.

Затем мы начнем калибровку. Дело в том, что, когда мы будем летать уже около Меркурия и измерять нейтроны и гамма-кванты, нам надо будет делать поправку на фон. Сам «БепиКоломбо» тоже будет излучать, и поэтому нам надо будет понимать, какой спектр гамма-излучения, какой поток нейтронов испускает сам аппарат. И эта задача усложняется тем, что туда мы летим на целом аппарате, а потом, по орбите вокруг Меркурия, будем летать только на его части. Поэтому нам надо будет решать задачу перевода данных калибровки, полученных в ходе межпланетного полета, в тот фон, который мы должны будем учитывать, уже летая по орбите.

И наконец, третий сюжет: у нас будет несколько сближений с Венерой, и мы уже договорились, что наш прибор на это время будет включаться, чтобы регистрировать излучение от Венеры. Поскольку у Венеры очень толстая атмосфера, ее поверхность мы не увидим, но сможем получить данные о химическом составе самой атмосферы.

На разработку этого эксперимента мы потратили 14 лет, нам пришлось подстраиваться под европейские интерфейсы на борту. Они сильно отличаются и от того, что есть у нас, и от того, что работает у американцев. Мы узнали всю европейскую космическую культуру именно на этом приборе. Благодаря этому мы достаточно быстро сделали прибор для Марса, для зонда TGO, который сейчас находятся на околомарсианской орбите. Все это мы смогли узнать на примере МГНС.

Беседовал Сергей Кузнецов