Двадцать лет назад миссия MESSENGER произвела революцию в нашем понимании Меркурия. Мы встретились с главой проекта и бывшим директором Карнеги по науке Шоном Соломоном, чтобы поговорить о том, как возникла миссия и какие новаторские работы она позволила.
Вопрос: Как главный исследователь миссии MESSENGER, какими были для вас самые яркие моменты или моменты, которыми вы больше всего гордитесь за время миссии?
Шон Соломон: Во время миссии MESSENGER для меня произошло много личных событий, начиная с нашего первоначального выбора НАСА в 1999 году и заканчивая публикацией научной группой MESSENGER всех результатов нашей миссии в книге, опубликованной почти два десятилетия спустя. .
Самыми сложными событиями в любой миссии планетарного орбитального корабля являются запуск и выведение на орбиту. Успешное завершение этих двух этапов для MESSENGER — в 2004 и 2011 годах соответственно — стало для меня источником большой гордости за технические знания всех инженеров, экспертов по проектированию миссий и менеджеров проектов, которые внесли свой вклад в миссию.
Длительная летная часть миссии принесла множество научных результатов. Первый облет Меркурия аппаратом MESSENGER в январе 2008 года стал первым новым наблюдением Меркурия с космического корабля за 33 года, а шесть месяцев спустя наша команда опубликовала 11 статей в одном выпуске журнала Science, посвященных этим измерениям.
Второй и третий облёты принесли новые результаты и больше специальных выпусков журналов. Четыре года на орбите Меркурия дали массу информации о самой внутренней планете и постоянный поток открытий.
Еще одним ярким моментом для меня стал профессиональный рост ряда студентов, постдокторантов и молодых ученых, которые входили в научную команду MESSENGER хотя бы на некоторой части миссии. Многие из них внесли большой вклад в анализ и научную интерпретацию наблюдений миссии и сегодня входят в число ведущих экспертов по Меркурию.
Каковы, по вашему мнению, были самые революционные открытия, сделанные MESSENGER, и как они продолжают влиять на наше понимание Меркурия и планетарной науки сегодня? Как эти открытия изменили наше понимание формирования и эволюции планет?
Будучи первой миссией орбитального аппарата Меркурия, MESSENGER впервые предоставил глобальный вид на самую внутреннюю планету Солнечной системы. «Мессенджер» также нес более обширную полезную нагрузку, чем «Маринер-10» — единственный космический корабль, посетивший Меркурий до того времени, — и тот, который извлек выгоду из более чем трех десятилетий достижений в области датчиков, электроники и миниатюризации.
В частности, MESSENGER провел первое геохимическое дистанционное зондирование поверхности Меркурия с помощью множества датчиков, включая рентгеновские, гамма- и нейтронные спектрометры; мультиспектральная визуализация; и ультрафиолетовая, видимая и ближняя инфракрасная спектрометрия. Ряд наиболее важных открытий MESSENGER стали результатом этих наблюдений.
MESSENGER задокументировал, что поверхность Меркурия богата серой и бедна железом, что указывает на то, что планета образовалась из гораздо большего количества химически восстановленных материалов, чем те, которые сформировали другие внутренние планеты и большинство родительских тел метеоритов. Это открытие указывает на сильную гетерогенность окислительно-восстановительного состояния материалов в протопланетном диске из пыли и газа, который вращался вокруг раннего Солнца и из которого произошли все объекты Солнечной системы.
Вопреки всем моделям, выдвинутым перед миссией MESSENGER для объяснения высокой объемной плотности Меркурия и предполагаемой высокой доли металлов по сравнению с силикатами, MESSENGER обнаружил, что Меркурий не обеднен умеренно летучими элементами. Вместо этого Меркурий демонстрирует поверхностные концентрации K, Na и Cl, сравнимые с марсианскими.
Более того, MESSENGER обнаружил множество геологических особенностей, указывающих на наличие летучих веществ на глубине. Впадины — неправильные впадины, часто с плоским дном и яркими ореолами, которые лучше всего объясняются потерей летучего материала с глубины после воздействия условий на поверхности Меркурия — широко распространены на поверхностных материалах, раскопанных в результате ударов.
А среди вулканических особенностей Меркурия — пирокластические отложения, продукты прошлых взрывных извержений, возникших, когда извергающаяся магма выделяла летучие вещества во время подъема и сброса давления. Какие бы процессы ни привели к высокому соотношению металлов и силикатов на Меркурии, они не привели к заметному истощению планеты умеренно летучими видами по сравнению с другими внутренними планетами.
Согласно наблюдениям спектрального отражения, гамма-излучения и нейтронов, полученным с помощью MESSENGER, поверхность Меркурия содержит углерод в концентрациях до нескольких весовых процентов, скорее всего, в форме графита. Концентрация углерода самая высокая в самых темных отложениях Меркурия, которые были раскопаны во время образования крупных ударных кратеров.
Это открытие соответствует предсказанию о том, что современная кора Меркурия должна содержать остатки графитовой флотационной коры, образовавшейся во время остывания раннего магматического океана.
На основе нейтронной спектрометрии, моделирования инсоляции с измеренной топографией, а также коэффициентов отражения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне MESSENGER подтвердил, что полярные отложения Меркурия, обнаруженные в начале 1990-х годов с помощью наземных радиолокационных изображений, состоят преимущественно из водяного льда, стабильного в геологических временных масштабах и постоянно затененного. области на дне ударных кратеров самых высоких широт.
Дальше от полюсов водяной лед в полярных отложениях также термически стабилен в геологических временных масштабах, но только если он покрыт тонким изолирующим слоем, и такой слой определяется нейтронной спектрометрией. Измерения отражательной способности показывают, что изолирующий слой темнее, чем любой другой материал на поверхности Меркурия, и имеет характеристики термостабильности, соответствующие органическим материалам, обнаруженным в кометах и богатых летучими веществами метеоритах.
Эти наблюдения позволяют предположить, что постоянно затененные области высокоширотных кратеров Меркурия являются свидетелями доставки воды и органического льда из внешней части солнечной системы во внутреннюю — процесса, который считался важным для инвентаризации воды и пребиотических соединений на ранней Земле.
Наиболее примечательные открытия MESSENGER простирались не только от геохимического дистанционного зондирования, но и на многие другие аспекты планеты, ее окружающей среды и ее истории:
Геодезические измерения и измерения гравитационного поля MESSENGER показывают, что богатое железом ядро Меркурия больше, чем считалось ранее. Внутренние модели, соответствующие геодезическим параметрам планеты и гравитационному полю, включают ядро с радиусом около 80% радиуса планеты.
Измерения орбитального магнитного поля MESSENGER показали, что Меркурий имеет диполярное внутреннее магнитное поле, вероятно, создаваемое, как и на Земле, динамо-машиной в жидком внешнем ядре планеты. Однако, в отличие от полей Земли, внешних планет или спутников внешних планет с такими полями, внутренний диполь Меркурия смещен от центра планеты примерно на 20% радиуса Меркурия, что не предсказывалось теоретическими моделями динамо до миссии MESSENGER. .
Наблюдения MESSENGER за распределением и геометрией тектонических особенностей поверхности Меркурия показывают, что внутренняя часть планеты остыла и сжалась сильнее, чем предполагалось ранее. Важно отметить, что оценки такого сжатия после окончания сильной бомбардировки внутренней части Солнечной системы теперь согласуются с предсказаниями моделей тепловой эволюции мантии и ядра Меркурия.
MESSENGER показал, что разреженная нейтральная атмосфера Меркурия — наземная экзосфера — меняется в зависимости от сезона в зависимости от изменения солнечного расстояния от планеты в течение года Меркурия. Более того, распределение по времени суток различается среди наиболее важных компонентов атмосферы (Na, Ca, Mg), полученных из поверхностных материалов, что указывает на различное сочетание исходных процессов для каждого из них, а сезонные вариации Mg содержат признаки различий в поверхностное содержание магния среди основных геохимических террейнов на поверхности.
Поскольку Меркурий намного ближе к Солнцу, чем Земля, а сила его магнитного диполя на три порядка слабее, его магнитосфера намного меньше земной, и MESSENGER продемонстрировал, что все магнитосферные явления происходят в гораздо более коротких временных масштабах. В магнитосфере Меркурия есть всплески энергичных электронов, но нет прочных радиационных поясов, как на Земле.
Примечательно, что на Меркурии скорость магнитного пересоединения намного выше, чем на Земле, а также периодический коллапс дневной магнитосферы в ответ на необычно сильное набегающее давление солнечного ветра. Подверженность поверхности такому прямому воздействию солнечного ветра способствует более быстрому, чем на других безвоздушных или почти безвоздушных телах, изменению поверхностных материалов и образованию нейтральной атмосферы Меркурия.
Заглядывая в будущее, как вы представляете себе будущие миссии на Меркурий, опирающиеся на фундамент, заложенный MESSENGER, и какие ключевые научные вопросы, по вашему мнению, они будут решать?
Следующая миссия к Меркурию уже находится в стадии реализации — миссия двойного орбитального аппарата BepiColombo Европейского космического агентства и Японского агентства аэрокосмических исследований. Хотя BepiColombo был задуман и выбран для полета примерно в то же время, что и MESSENGER, его большие амбиции и сложность, а также его многонациональный и межведомственный характер привели к гораздо большему времени разработки.
Космический корабль BepiColombo был запущен в 2018 году, и его планируется вывести на орбиту Меркурия в конце следующего года. Поскольку эта миссия включает в себя два космических корабля, работающих одновременно, включает в себя больше инструментов, чем MESSENGER, и будет наблюдать за планетой с разных орбит, наблюдения, которые BepiColombo обещает развить и расширить наблюдения MESSENGER во многих отношениях.
Однако существуют пределы того, что можно измерить с орбиты, и поэтому следующей миссией НАСА к Меркурию, вероятно, будет посадочный модуль.
Цели миссии спускаемого аппарата на Меркурий будут зависеть от выбора места посадки, но, вероятно, будут включать химический, минералогический и изотопный анализ материалов поверхности Меркурия, чтобы обеспечить достоверность результатов орбитального дистанционного зондирования и ограничить магматические и поверхностные геологические процессы и их историю; сейсмо-геодезические измерения для характеристики тектонических и ударных источников сейсмичности и уточнения информации о внутреннем строении планеты; а также измерения магнитного поля и энергетических частиц для углубления знаний о магнитном поле коры Меркурия и взаимодействиях между магнитосферой, поверхностью и недрами.
Посадочный модуль на полярных отложениях Меркурия также позволит провести на месте анализ льдов, образовавшихся в результате воздействия комет и богатых летучими веществами астероидов из внешней Солнечной системы, а также получить важное представление о природе процессов смешивания и потери летучих веществ на поверхности Меркурия.
Какова важность общественных и образовательных инициатив, таких как усилия группы MESSENGER по образованию и работе с общественностью, в привлечении более широкого сообщества к миссиям по исследованию космоса?
Исследование Солнечной системы финансируется налогоплательщиками, и общественность заслуживает того, чтобы ей объяснили, почему каждая такая миссия имеет смысл и что она позволила узнать о наших соседних планетах, а также о нашем собственном мире. Более того, освоение космоса — интересная тема для аудитории любого возраста.
Эта тема особенно привлекает студентов, а некоторые из них будут мотивированы своим интересом к исследованию космоса, чтобы продолжить карьеру в области науки и техники на протяжении всей жизни. В более широком смысле, технически грамотная общественность представляет жизненно важный национальный интерес, поскольку все большее число тем, имеющих решающее значение для будущего общества, основано на понимании, подпитываемом продолжающимися научными открытиями.
Наконец, какое послание или урок, как вы надеетесь, извлекут будущие поколения ученых и исследователей из достижений миссии MESSENGER?
Исследование Солнечной системы учит нас, что достижение некоторых целей требует исключительного терпения и настойчивости. Я был молодым доцентом, когда в середине 1970-х годов первая миссия космического корабля к Меркурию — «Маринер-10» — принесла первые снимки этой планеты крупным планом. Позже в том же десятилетии я помог написать первую стратегию научного исследования Меркурия в рамках этой миссии.
По разным причинам потребовалось еще два десятилетия, прежде чем для полета была выбрана вторая миссия на Меркурий, «Мессенджер». На обеспечение финансирования и завершение разработки этого космического корабля ушло еще пять лет, а «Мессенджер» провел в полете более шести с половиной лет — более 15 оборотов вокруг Солнца — прежде чем стать первым космическим кораблем, вышедшим на орбиту Меркурия.
Конец орбитальной деятельности MESSENGER четыре года спустя наступил через 40 лет после того, как Mariner 10 вернул свои последние данные. Сейчас мы знаем гораздо больше об одном из наших ближайших планетарных соседей, чем раньше, но путешествие было долгим.
Предоставлено
Институт Карнеги науки
