Меркурий — ближайшая к нашему Солнцу планета, ее расстояние составляет от 46 миллионов км (28,58 миллиона миль) в перигелии до 69,82 миллиона км (43,38 миллиона миль) в афелии. Из-за своей близости Меркурий находится под сильным влиянием пара плазмы, постоянно текущего от Солнца к краю Солнечной системы (он же солнечный ветер). Начиная с Маринер 10 В ходе миссии в 1974 году на Меркурий были отправлены роботы-исследователи, чтобы измерить, как солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Меркурия, создавая хоровые волны свистового режима – естественные радиоизлучения, которые играют ключевую роль в ускорении электронов в планетарных магнитосферах.
Помимо того, что эти волны являются причиной геомагнитных бурь и полярных сияний в планетных атмосферах, они также приводят к электромагнитным колебаниям на тех же частотах, что и звук, вызывая чириканье и свист. В недавнем исследовании международная исследовательская группа ознакомилась с данными Международного проекта по исследованию Меркурия BepiColombo, который собрал данные о магнитосфере Меркурия во время его первого и второго пролета. Их результаты являются первым прямым исследованием хоровых волн в утреннем секторе Меркурия, которое показало доказательства возможных фоновых изменений магнитного поля.
Команду возглавил Мицунори Одзаки, доцент Высшей школы естественных наук и технологий Университета Канадзавы. К нему присоединились астрофизики из Научно-исследовательского института устойчивой гуманосферы (RISH) Киотского университета, корпорации MagneDesign, Лаборатории физики плазмы (LPP) Политехнической школы Сорбонны и Института космоса и астронавтики Японского аэрокосмического университета. Разведывательное агентство (ДЖАКСА). Статья группы «Волны свистовой моды в магнитосфере Меркурия, наблюдаемые BepiColombo/Mio» недавно была опубликована в журнале Природа Астрономия.
Когда «Маринер-10» достиг Меркурия в 1974 году, ученые впервые узнали, что, подобно Земле, Меркурий имеет планетарное магнитное поле и (следовательно) магнитосферу. В период с 2008 по 2015 год космический аппарат НАСА «Меркурий: поверхность, космическая среда, геохимия и дальность» (MESSENGER) предоставил подробную картину магнитного поля и магнитосферы Меркурия. Однако ни одна из миссий не смогла наблюдать хоровые волны в магнитосфере планеты из-за отсутствия соответствующих инструментов и сурового характера электромагнитной среды Меркурия.
Поскольку электромагнитные волны могут эффективно ускорять частицы плазмы, ученые надеялись поближе познакомиться с Меркурием и измерить влияние, которое эти волны оказывают на динамику его магнитосферы. Эти исследования в настоящее время проводятся с помощью магнитосферного орбитального аппарата «Меркурий» (MIO), зонда, сопровождающего совместную миссию ЕКА и JAXA BepiColombo. Космический корабль MIO был запущен 20 октября 2018 года и в настоящее время находится на пути к Меркурию, а вывод на орбиту запланирован на декабрь 2025 года после нескольких пролетов с Землей, Венерой и Меркурием (для гравитационных маневров).
На данный момент MIO провела два облета Меркурия: первый 1 октября 2021 года и второй 23 июня 2022 года, в результате чего он оказался на расстоянии менее 200 км (124 миль) от поверхности. В отличие от предыдущих миссий, космический корабль MIO, которым управляет JAXA, оснащен полным набором плазменно-волновых инструментов, разработанных специально для исследования электромагнитной среды вокруг Меркурия. Кроме того, космический корабль МИО был спроектирован так, чтобы максимально снизить уровень электромагнитного шума. Датчики магнитного поля переменного тока, разработанные JAXA и LPP, были предназначены для работы в экстремальных условиях Меркурия.
Это позволило космическому кораблю провести первые наблюдения электромагнитных волн вокруг Меркурия, не подвергаясь воздействию шума самого космического корабля. Они выявили локальную генерацию хоровых волн, что подтвердило предсказания относительно их частотного диапазона, интенсивности и т. д., сделанные с 2000-х годов, когда был разработан плазменный волновой прибор (PWI) космического корабля MIO. Во время двух пролетов космический корабль обнаружил «пространственную локальность» хоровых волн, ограниченную чрезвычайно ограниченной областью в утреннем секторе магнитосферы Меркурия, что подразумевает существование физического механизма, ограниченного этой областью.
Чтобы выяснить причину этих волн, команда использовала теорию нелинейного роста хоровых волн, разработанную профессором Омурой из Киотского университета (соавтором статьи). Это позволило им оценить влияние кривизны магнитного поля Меркурия, которое выявило, что оно сильно искажается солнечным ветром. Это было очевидно по тому, как линии магнитного поля в ночном секторе растягиваются под действием давления солнечного ветра, в то время как в утреннем секторе они меньше подвержены влиянию, что приводит к меньшей кривизне. Это означает, что энергия эффективно передается от электронов к электромагнитным волнам в утреннем секторе, что приводит к условиям, благоприятствующим волнам хоруса.
Эти результаты существенно повлияют на понимание планетологами окружающей среды Меркурия. Эти результаты демонстрируют важность силовых линий планетарного магнитного поля (на которые сильно влияет солнечный ветер) в месте генерации хоровых волн. Они также демонстрируют, как волны хора могут эффективно ускорять электроны в магнитосфере Меркурия и как их высыпание может привести к рентгеновским полярным сияниям. Их результаты также предсказывают виды наблюдений, которые будет проводить космический корабль MIO, когда он выйдет на орбиту вокруг Меркурия. Как отметила команда в пресс-релизе Университета Канадзавы:
«Основываясь на облетных наблюдениях, мы обнаружили, что искажение магнитного поля ответственно за локальную (то есть утреннюю) генерацию волн хоруса. Комплексное исследование электромагнитной среды космическим кораблем «Мио» на орбите Меркурия будет способствовать не только пониманию плазменной среды всей магнитосферы Меркурия, но и глубокому пониманию динамики магнитосферы в целом. Магнитосфера действует как барьер, предотвращающий опасное для жизни космическое излучение на планетах Солнечной системы. Сравнение данных с Меркурия и Земли укрепит наше понимание этой важной естественной защиты нашей родной планеты».
Дополнительная литература: Университет Канадзавы, Природная астрономия.
