В октябре 2018 года была запущена межпланетная станция «БепиКоломбо» Европейского космического агентства и Японского аэрокосмического агентства*. Аппарат продолжит изучение Меркурия, начатое американскими станциями Mariner-10 (1974—1975) и MESSENGER (2011—2015). «БепиКоломбо» включает два аппарата: японский MIO (Меркурианский магнитосферный орбитальный аппарат), предназначенный для исследования магнитосферы планеты и её взаимодействия с солнечным ветром, и европейский MPO (Меркурианский планетарный орбитальный аппарат), нацеленный в основном на изучение состава и характеристик самой планеты.
Меркурий интересует планетологов как единственная планета Солнечной системы без атмосферы, но с магнитным полем. Благодаря этому его поверхность почти непосредственно контактирует с космическим пространством. Под действием солнечных фотонов, микрометеоритов и заряженных частиц формируется экзосфера — очень разреженная газовая оболочка, состав которой во многом отражает состав поверхности в определённом месте.
Наблюдения за экзосферой — исследование состава и динамики — составляют одну из важных задач миссии, и именно для неё предназначен ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere By Ultraviolet Spectroscopy), установленный на аппарате MPO. В его создании принимали непосредственное участие сотрудники отдела физики планет ИКИ РАН. В институте был создан входной оптический блок с системой наведения прибора в заданном направлении. Научный соруководитель эксперимента с российской стороны — член-корреспондент РАН Олег Кораблёв, заведующий отделом физики планет.
Экзосферу Меркурия составляют в первую очередь атомы водорода и гелия, а также такие непривычные для атмосферы элементы, как натрий, калий, кальций, магний, алюминий, марганец и железо. Предполагается, что атомы натрия попадают в экзосферу Меркурия в основном под действием солнечных лучей или в результате ударов микрометеоритов, испаряющих часть вещества с поверхности. При этом надо иметь в виду, что в разреженных экзосферах, таких как у Меркурия, составляющие их элементы не взаимодействуют между собой, и каждый из них распределён особенным образом.
Ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS работает в двух диапазонах спектра вакуумного ультрафиолета с длиной волны от 55 до 320 нм и имеет два дополнительных канала на 404 и 422 нм. Прибор установлен на аппарате MPO таким образом, что во время пролётов Меркурия он мог проводить наблюдения поверхности и экзосферы планеты. Таких пролётов, а точнее гравитационных манёвров, необходимых для погашения скорости и выхода на рабочую орбиту, вблизи Меркурия было шесть. PHEBUS проводил научные наблюдения в ходе четырёх пролётов, поскольку траектория некоторых из них не всегда позволяла оптическим приборам наблюдать Меркурий из-за опасности солнечной засветки. Результаты этих наблюдений сейчас обрабатываются, часть уже была опубликована в Journal of Geophysical Research: Planets и других журналах.
Во время второго и третьего пролётов Меркурия прибору PHEBUS удалось наблюдать свечение магния в экзосфере на длине волны 285,2 нм и построить графики зависимости свечения магниевой экзосферы в зависимости от высоты — так называемые высотные профили. По ним можно понять, какова концентрация магния на разных высотах и насколько высоко простирается магниевая атмосфера.
Считается, что основной источник магния в меркурианской экзосфере — удары микрометеоритов, которые испаряют часть поверхности. Таким образом, наличие этого элемента указывает на его присутствие в самой поверхности. Но насколько верно это суждение? Не имея прямых наблюдательных доказательств, многие исследователи считали, что экзосфера Меркурия может не отражать основной состав поверхности. Поскольку натрий, калий, магний и другие металлы очень летучи, предполагалось, например, что основная часть наблюдаемой экзосферы образуется из перераспределённых, осевших на поверхности атомов (так называемый поверхностный резервуар). Иными словами, экзосфера связана с этим резервуаром, а не с самим реголитом.
Впервые, и пока только для магния, в измерениях американского аппарата MESSENGER заметили зависимость между плотностью данного элемента в экзосфере и его отношением к кремнию (Mg/Si) на поверхности. Таким образом, магний особенно важен для исследования связи между распределением обилия металлов на поверхности и экзосферой. Но его изучение сталкивается со сложностями из-за небольшого количества атомов магния и его малой яркости. Кроме этого, MESSENGER из-за особенностей своей орбиты мог наблюдать только часть планеты. Поэтому PHEBUS предстоит заполнить очень много пробелов в этом вопросе.
Уже сейчас, сопоставив полученные с помощью PHEBUS профили с известными моделями экзосферы, исследователи оценили высоту магниевой экзосферы в 560—970 км и температуру атомов магния на уровне её нижней границы (экзобазы) в 3000—5000 К. Интересно, что и то и другое значение оказались меньше, чем было измерено ранее для атомов кальция — также по данным PHEBUS: они и поднимаются выше над поверхностью Меркурия, и обладают в 5—10 раз большей энергией. Это, вероятно, связано с тем, что для фотодиссоциации молекул, содержащих магний, требуется меньшая энергия.
Во время первых пролётов PHEBUS также измерял альбедо (отражательную способность) поверхности планеты в экстремальном ультрафиолете — на длинах волн 90—160 нм. Солнечные лучи в данном диапазоне спектра беспрепятственно достигают поверхности Меркурия, поэтому, регистрируя отражённый и рассеянный поверхностью свет, можно оценивать, из чего она состоит. Такие измерения были сделаны впервые за пятьдесят лет после единственных наблюдений аппаратом Mariner-10. УФ-альбедо Меркурия оказалось в два раза ниже, чем у Луны, что может указывать на малое содержание оксида железа FeO в меркурианском грунте. Кроме того, по анализу формы измеренного спектра отражения были сделаны выводы о наличии кварца (диоксида кремния, SiO2) в грунте Меркурия. Количественные оценки содержания кварца ожидается получить после начала регулярных измерений в 2027 году.
В экстремальном ультрафиолете PHEBUS также наблюдал свечение гелия (на длине волны 58,4 нм). По анализу интенсивности свечения удалось определить концентрацию частиц этого элемента на уровне экзобазы Меркурия. Она оказалась в 5—7 раз меньше значений, измеренных аппаратом Mariner-10 при той же фазе солнечной активности. Исследователи это несогласие в данных объясняют разным вкладом межзвёздного гелия в экзосферу Меркурия во время измерений, проводившихся Mariner-10 и «БепиКоломбо».
Для окончательного ответа на этот и другие вопросы необходимы дальнейшие регулярные наблюдения, которые должны начаться после выхода аппаратов на рабочие орбиты в ноябре 2026 года. Предполагается, что PHEBUS, кроме магния и кальция, будет изучать распространение калия, и, возможно, удастся зарегистрировать углерод, азот и серу.
Комментарии к статье
* См.: Понятов А. Прощай, Земля! «БепиКоломбо» летит к Меркурию. — «Наука и жизнь» № 5, 2020 г.
