Исследование Меркурия остается одной из самых сложных задач современной космонавтики из-за экстремальных условий вблизи Солнца. В новом выпуске подкаста организации The Royal Institution профессор космической физики Лестерского университета Сьюзи Имбер (Suzie Imber) подробно рассказывает о целях и скрытых вызовах третьей в истории миссии к этой планете — BepiColombo. Ученый объясняет, почему изучение Меркурия критически важно для понимания далеких экзопланет и защиты Земли от разрушительной космической погоды.
🌌 Космическая погода: как Солнце формирует среду планет 2:25
Космическая погода — это специализация Сьюзи Имбер, изучающей влияние солнечной активности на тела Солнечной системы. Ключевым фактором здесь выступает солнечный ветер — постоянный поток частиц, исходящий от нашей звезды. В среднем он движется со скоростью около 450 километров в секунду и достигает Земли за два-три дня. Солнечный ветер уносит с собой магнитное поле Солнца и состоит преимущественно из протонов и электронов, однако его плотность чрезвычайно мала: в объеме размером с кубик сахара содержится всего от 5 до 10 частиц. Солнечный ветер заполняет колоссальное пространство, простираясь далеко за орбиту Плутона — до границ гелиосферы. Недавно ученые смогли воочию подтвердить теоретические границы этой зоны, когда космический аппарат Voyager пересек гелиопаузу, покинув Солнечную систему.
Планеты, обладающие собственным магнитным полем, формируют вокруг себя магнитосферу — область пространства, где доминируют магнитные силы самого планетарного тела. По словам Сьюзи Имбер, магнитосфера Земли напоминает по форме пулю, а ее границы постоянно колеблются под воздействием внешних факторов. Если солнечный ветер усиливается, магнитосфера сжимается ближе к планете; когда напор ослабевает, она расширяется. Ближе к поверхности Земли эта динамическая структура переходит в ионосферу и привычную нам атмосферу.
🧲 Загадка планетарного динамо: почему Меркурий похож на Землю 6:00
Долгое время ученые ожидали, что главным «близнецом» Земли по магнитным характеристикам окажется Венера из-за схожих размеров и расположения, однако реальность преподнесла сюрприз: именно Меркурий обладает магнитной структурой, удивительно похожей на земную. Сьюзи Имбер объясняет, что для генерации магнитного поля планете необходим внутренний механизм динамо, требующий быстрого вращения и внутренней конвекции.
Венера вращается крайне медленно — один оборот занимает около 243 земных суток, причем в обратном направлении, что препятствует работе динамо-эффекта. Кроме того, для эффективного охлаждения планете нужна внутренняя конвекция, но Венера перегрета, обладает плотной атмосферой и лишена тектоники плит, помогающей Земле сбрасывать тепло.
В отличие от нее, другие планеты демонстрируют иную эволюцию:
- Меркурий совершает осевое вращение медленно, но его скорости едва хватает для поддержания слабого магнитного поля.
- Марс, как считают исследователи, обладал мощным магнитным полем около 4 миллиардов лет назад, но затем потерял его, что привело к катастрофическому изменению его атмосферы и условий обитаемости.
Наличие магнитосферы напрямую влияет на удержание атмосферы и потенциальную пригодность для жизни. Меркурий абсолютно необитаем: температура на его дневной стороне достигает 450°C, а на ночной падает до -150°C. Тем не менее, его слабая магнитосфера по своей геометрии копирует земную, предоставляя ученым уникальную лабораторию для исследований.
🚀 Вопреки гравитации: сложнейший маршрут BepiColombo 8:11
Меркурий незаслуженно обделен вниманием космонавтики: BepiColombo — это всего лишь третья специализированная миссия к планете, в то время как Марс исследовали уже от 40 до 50 раз. Главная трудность заключается в баллистике полета. Направляясь к Меркурию, аппарат падает в гравитационную «яму» Солнца, стремительно ускоряясь. Напрямую долететь можно за несколько месяцев, но тогда корабль не сможет затормозить и просто пролетит мимо, сгорев в звезде.
Чтобы решить эту проблему, BepiColombo выполняет сложнейший гравитационный маневр, состоящий из 19 витков вокруг Солнца по спирали. Аппарат использует гравитацию Земли, Венеры и самого Меркурия, чтобы постепенно гасить скорость и менять траекторию движения. Цель этих расчетов — уравнять скорость и направление зонда с движением Меркурия, чтобы его слабая гравитация смогла захватить миссию на постоянную орбиту. Этот алгоритм рассчитал итальянский физик Джузеппе «Бепи» Коломбо, в честь которого и назван проект.
Миссия, запущенная в 2018 году с космодрома Куру во Французской Гвиане на ракете Ariane 5, выйдет на орбиту Меркурия только в ноябре 2026 года, потратив на перелет долгие 8 лет. Сьюзи Имбер лично присутствовала на ночном запуске и вспоминает, как рев двигателей превратил ночь в день, а команда ученых в джунглях затаила дыхание, ожидая телеметрии. Возвращение аппарата на Землю не предусмотрено — преодоление притяжения Солнца потребовало бы колоссального объема энергии, поэтому миссия завершится контролируемым падением на поверхность Меркурия с образованием небольшого кратера.
BepiColombo принципиально отличается от предшественников (Mariner 10 в 1970-х и Messenger в 2011–2015 годах) своей конструкцией. Опыт Messenger показал, что один спутник вынужден идти на компромисс: геологам нужно быть ближе к планете для съемки поверхности, а физикам вроде Имбер — дальше, для изучения магнитосферы. BepiColombo состоит из двух независимых аппаратов:
- Европейский зонд займет низкую орбиту для детального анализа рельефа и геологии.
- Японский вращающийся спутник будет находиться дальше, фиксируя параметры солнечного ветра.
Подобная связка позволит одновременно регистрировать причину (солнечный всплеск) и следствие (реакцию планеты), что невозможно сделать одиночным аппаратом. По прогнозам Имбер, следующим логическим шагом в грядущие десятилетия станет отправка на Меркурий посадочного модуля или ровера, концепты которых уже разрабатываются учеными.
🔬 Эффект «глаза лобстера» и полярные сияния на ночной стороне 18:08
Одним из самых технологически продвинутых инструментов на борту BepiColombo является рентгеновский спектрометр MIX (Mercury Imaging X-ray Spectrometer), в разработке которого Имбер принимает участие как соисследователь. MIX улавливает рентгеновские лучи, которые Солнце постоянно излучает в космос. Попадая на поверхность Меркурия, они поглощаются атомами поверхностного слоя, после чего переизлучаются обратно. Измеряя энергию этих вторичных рентгеновских квантов, прибор определяет точный элементный состав почвы: кремний, магний или другие металлы. Революционность MIX заключается в его оптической схеме, скопированной со структуры глаза лобстера. Вместо размытых областей, как у старых приборов, MIX дает беспрецедентное пиксельное разрешение состава рельефа.
В процессе подготовки миссии ученые столкнулись с неожиданным открытием. Анализируя архивные данные аппарата Messenger, они обнаружили слабое рентгеновское излучение на ночной (темной) стороне Меркурия, куда солнечный свет не проникает. Исследователи пришли к выводу, что природа этих лучей аналогична полярным сияниям на Земле. Механизм процесса выглядит так: магнитосфера Меркурия накапливает энергию солнечного ветра, затем происходит ее взрывной сброс, ускоренные частицы несутся вдоль силовых линий и бомбардируют поверхность планеты в районе полюсов, заставляя грунт светиться в рентгеновском диапазоне. Полноценное изучение этого феномена начнется в 2026 году, что расширит программу MIX физикой ночной стороны, которая изначально не планировалась при проектировании миссии в 2000 году.
Изучение экстремальной космической погоды Меркурия имеет прикладное значение для Земли. Сильнейшие геомагнитные бури, способные уничтожить энергосети, вывести из строя GPS, сжечь спутники и облучить экипажи самолетов (как знаменитое событие Кэррингтона 1850-х годов), происходят на Земле раз в столетие. Меркурий же из-за близости к Солнцу переживает такие супербури ежедневно. По мнению Сьюзи Имбер, понимание физики процессов на Меркурии поможет человечеству разработать эффективные модели защиты земной инфраструктуры от будущих космических катаклизмов.
🧊 Подземные тайны и водяной лед в вечной тени 25:20
Высокое разрешение MIX позволит детально изучить древние ударные кратеры Меркурия, образовавшиеся миллиарды лет назад в период Поздней тяжелой бомбардировки. Поскольку у планеты нет плотной атмосферы (лишь крайне разреженная экзосфера), кратеры практически не подвергались эрозии и сохранились в первозданном виде. При падении астероидов глубинные слои грунта выбрасывались наружу, образуя характерные светлые лучи вокруг кратеров. Спектрометр MIX исследует состав этих лучей, что позволит заглянуть под поверхность планеты без бурения. Также ученые планируют разгадать природу загадочного «материала с низким альбедо» (low reflectance material), обнаруженного Messenger, чей точный химический состав до сих пор остается загадкой.
Другим парадоксальным открытием на Меркурии стало наличие залежей водяного льда на планете, раскаленной солнцем. Ось вращения Меркурия перпендикулярна плоскости его орбиты, в отличие от наклоненной земной оси. Из-за этого на полюсах Меркурия есть глубокие кратеры, дно которых находится в вечной тени. Несмотря на дневной зной вокруг, температура на дне таких провалов никогда не поднимается выше критических отметок, что позволило водяному льду сохраняться там миллиарды лет. Впервые эти ледники обнаружили с помощью наземных радиотелескопов несколько десятилетий назад. На Луне аналогичной точкой притяжения сейчас является кратер Шеклтон, куда стремятся полярные миссии. BepiColombo попытается выяснить, какие механизмы защищают меркурианский лед от сублимации.
Все собранные данные будут передаваться на Землю быстро: радиосигнал идет от Меркурия всего 5–10 минут. Сьюзи Имбер подчеркивает, что обработка сырых данных в готовый научный продукт займет месяцы, однако вся информация миссии будет выложена в открытый доступ, поскольку проект финансируется из госбюджетов и не должен скрываться за коммерческими ограничениями.
🇬🇧 Лестерский хаб и популяризация науки: от космоса до пиццы 32:52
Интервью записано на территории Space Park Leicester — крупнейшего центра космических исследований Великобритании, где ученые ведут проекты полного цикла от чертежа прибора до анализа данных из космоса. Лестерский университет удерживает уникальный рекорд: его исследовательское оборудование беспрерывно находится в космосе каждый год на протяжении последних 60 лет.
Сама Сьюзи Имбер, получившая в 2021 году престижную награду Royal Society Rosalind Franklin Award, пришла к активной популяризации науки случайно. В свое время она из чистого любопытства заполнила заявку на участие в реалити-шоу BBC «Astronauts: Do You Have What It Takes?» («Астронавты: есть ли у вас то, что нужно?»). Пройдя жесткий отбор среди тысяч кандидатов, она попала в число 12 финалистов и провела 7 недель в изнурительном марафоне из 44 испытаний. Профессор летала на центрифуге, испытывала невесомость в параболических полетах, погружалась с аквалангом на дно тренировочной базы НАСА во Флориде и самостоятельно брала у себя кровь на анализ. После победы в шоу её социальные сети разорвались от приглашений из школ.
За пару лет Имбер объездила всю Великобританию, выступив перед 50 тысячами детей: от малышей в детских садах до выпускников колледжей. Чтобы увлечь молодежь физикой, ученые используют различные социальные инициативы:
- Организация вечерних домашних клубов при университете, где школьникам помогают с физикой и математикой, угощая их бесплатной пиццей.
- Закупка и бесплатная аренда коробок с экспериментальным оборудованием для начальных школ, у которых нет бюджета на реактивы и приборы.
- Проведение летних научных лагерей для детей из неблагополучных регионов за счет гранта премии Розалинд Франклин, где они собирают ракеты и работают с настоящими рентгеновскими установками.
Имбер уверена, что такие проекты помогают снять барьер страха перед высшим образованием у детей, чьи родственники никогда не учились в университетах, открывая им дорогу в большую науку.
