Год в Солнечной системе

В первом номере ТрВ-Наука мы подводили астрофизические итоги года. На этот раз переключимся на другую ветвь космической науки — исследования других планет. Что же из увиденного автоматическими межпланетными станциями заслуживает, на наш взгляд, наибольшего внимания?

Меркурий

Март прошедшего года ознаменовался завершением первого года работы автоматической исследовательской станции Messenger (NASA) на орбите вокруг Меркурия. За это время аппарат с орбиты проводил детальные исследования геохимии, геофизики, геологической истории, атмосферы, магнитосферы и плазменной среды планеты. Messenger — первый и пока единственный искусственный спутник самой близкой к Солнцу планеты, поэтому практически все его научные эксперименты проводятся впервые.

Но и среди множества этих «впервые» есть особо яркие результаты и открытия.

В ходе наблюдений с орбиты была составлена первая высокоточная топографическая модель северного полушария, позволившая сделать общий вывод: поверхность Меркурия в целом относительно ровная, характеризующаяся обширными низменностями, и разброс высот по ней значительно меньше, чем на Луне или Марсе.

Другим ценным итогом первого года работы миссии стала прецизионная карта меркурианского гравитационного поля, которая в сочетании с топографическими данными и более ранней информацией о вращении планеты проливает свет на ее внутреннее строение, толщину коры, состояние ядра, а также тектоническую и термальную историю.

Ядро Меркурия, как выяснилось, просто гигантское, и его радиус составляет примерно 85% от радиуса планеты. Пожалуй, это открытие оказалось самым интересным, и специалисты уже шутят, что планета скорее напоминает не небесное тело, а «апельсин с толстой кожурой». Раньше ученые предполагали, что внутренности планеты охлаждены до такого уровня, при котором ее ядро может быть полностью твердым. Однако небольшие динамические движения, которые удалось  уловить с помощью наземных радаров в сочетании с наличием пусть и слабого магнитного поля, свидетельствуют о том, что ядро Меркурия по крайней мере частично находится в жидком состоянии.

Кроме того, наблюдения Messenger позволили окончательно утвердиться в открытии, имеющем поистине фундаментальное значение. На Меркурии в значительных количествах присутствует водяной лед! В самых холодных кратерах он может существовать даже непосредственно на поверхности планеты. Но в большинстве случаев, по всей видимости, он всё же находится под тонким слоем некоего «темного материала», потому что измерения показали: температура такой поверхности пусть и ненамного, но выше той, которая требуется для стабильного существования оголенного льда. Этот до недавнего времени вовсе не бесспорный вывод подтверждается теперь уже тремя независимыми исследованиями: нейтронной спектрометрией, измерением коэффициента отражения поверхности и построением подробной модели поверхностных и приповерхностных температур северной полярной области Меркурия.

Венера

Для станции Европейского космического агентства Venus Express, работающей в окрестностях Венеры, март ознаменовался не самым приятным событием: она подверглась воздействию мощной солнечной вспышки и на некоторое время даже оказалась неработоспособной из-за отказа звездных датчиков. Однако вскоре операторам Европейского Центра управления полетом (ESOC, Дармштадт) удалось нормализовать ситуацию и продолжить работу.

Исследования поверхности Венеры осложняются тем обстоятельством, что увидеть ее с орбиты практически невозможно: от внешнего наблюдателя она закрыта мощной атмосферой и слоем серно-кислотных облаков с высокой отражающей способностью. Однако и изучение самой атмосферы может многое сказать о процессах, происходящих на поверхности.

Так, обнаруженное Venus Express существенное увеличение концентрации сернистого газа в верхних слоях венерианской атмосферы по сравнению с первым годом работы аппарата на орбите позволило планетологам предположить, что на Венере может и в наши дни происходить активная вулканическая деятельность. Непосредственно увидеть эти вулканы пока не представляется возможным, но несомненно одно — этот газ поступает снизу. Дополнительный аргумент в пользу гипотезы о венерианском вулканизме (которую, кстати, астрономы выдвигают уже довольно давно) — результаты  инфракрасного сканирования поверхности, в ходе которого было обнаружено несколько «горячих точек». Конечно, эти данные не могут стопроцентно свидетельствовать о наличии вулканов на планете, но вероятность того, что их всё-таки обнаружат, уже достаточно высока.

Второе открытие связано с самой атмосферой. Анализируя итоги пяти лет наблюдений, ученые установили, что на высоте около 125 км над поверхностью Венеры существует холодный атмосферный слой, температура которого составляет около -175°C. Получается, что он холоднее не только прилегающих к нему соседних, но и любого слоя даже земной атмосферы — и это при том, что Венера расположена значительно ближе к Солнцу, чем Земля.

Поскольку на некоторых высотах температура атмосферных слоев гораздо ниже точки замерзания углекислого газа, ученые предположили, что он может присутствовать там в виде льдинок или снежной массы. Такие облака, состоящие из так называемого сухого льда, должны очень хорошо отражать солнечный свет, и, возможно, в дальнейшем удастся даже непосредственно пронаблюдать этот регион.

Открытый холодный атмосферный слой — первый, пусть и косвенный признак, указывающий на возможность существования в атмосфере Венеры каких-либо химических соединений в замороженном виде. В настоящее время ученые заняты составлением модели взаимодействия этого слоя с другими частями атмосферы. Задача поистине уникальная, поскольку ни в земной, ни в марсианской атмосфере подобных явлений не обнаружено.

И, наконец, самое интересное. С борта Venus Express были проведены измерения количества водяного пара, уходящего из атмосферы Венеры в космос. Полученные результаты позволили предположить, что в далеком прошлом, миллиарды лет назад, воды на Венере было значительно больше, но со временем под действием жесткого солнечного излучения она почти вся оказалась потеряна. Европейские ученые пока осторожны и не берутся делать вывод о том, плескались ли когда-то на Венере океаны, но уже допускают возможность существования в прошлом некоего подобия водоемов.

Луна

Основной «лунной изюминкой» ушедшего года стала работа миссии GRAIL (NASA). И, конечно, не только потому, что выход двух спутников на окололунную орбиту состоялся в новогоднюю ночь, а сама миссия благополучно пережила затмение 4 июля и успешно проработала вдвое больше предполагавшегося срока.

Два аппарата GRAIL, которые, по предложению учеников гимназии из города Бозмана, получили имена Ebb («Прилив») и Flow («Отлив»), представляли собой фактически гигантский гравиметр. Этот гравиметр на протяжении года с до сих пор не достигавшейся точностью измерял вариации поля тяготения Луны, известного своей неоднородностью и наличием явно выраженных аномалий. В ходе основной миссии, продолжавшейся с марта 

по начало июня, аппараты проводили измерения с беспрецедентно низкой орбиты, высотой всего 55 км. А в ходе продленной стадии, продолжавшейся с августа до начала декабря, она была снижена до 23 км, что позволило повысить точность измерений почти до границы возможностей: чем ниже орбита, тем она менее стабильна вследствие влияния гравитационных аномалий, тем сложнее операторам миссии парировать неожиданные возмущения и тем выше вероятность столкновения с лунными горами.

Основным итогом этого полета стала карта гравитационного поля Луны, которая, по заверениям ученых, является наиболее подробной гравиметрической картой небесного тела из числа когда-либо составленных человеком. Эти данные позволят существенно углубить наше понимание не только внутренней структуры и состава ближайшей земной соседки, но также всего процесса формирования и эволюции каменных планет Солнечной системы. Впрочем, уже сейчас можно говорить о весьма интересных открытиях в области селенологии и селенофизики — в частности, об уточнении толщины лунной коры и о выявлении сети длинных подповерхностных трещин, заполненных затвердевшей магмой. Все эти данные дают новую пищу для размышлений о происхождении Луны и ее дальнейшей эволюции.

А вот специалисты миссии LRO (NASA), продолжающей работу на окололунной орбите, похоже, сделали шаг по пути к фундаментальному изменению наших представлений о лунной гидрологии. Не исключено, что по итогам исследований столь популярную гипотезу наличия водяного льда в «холодных ловушках» придется существенно расширить и допустить существование больших запасов подповерхностного льда на гораздо более обширных территориях.

На проходившем 12-14 октября в Институте космических исследований третьем Московском Международном симпозиуме по солнечной системе профессор И. Г. Митрофанов озвучил результаты, полученные с помощью российского прибора, установленного на борту LRO. Этим прибором является нейтронный телескоп LEND, осуществляющий поиск воды путем измерения потока нейтронов, выходящих из-под поверхности Луны. Согласно этим результатам, границы районов пониженной интенсивности нейтронного излучения, которая свидетельствует о наличии в реголите соединений водорода, во многих случаях не совпадают с границами постоянно затененных областей. Более того — по всей видимости, можно говорить о целых районах «вечной мерзлоты», где водяной лед заполняет промежутки между частицами реголита подобно тому, как вода заполняет поры в глиняном кирпиче.

По сравнению с таким фундаментальным итогом другой результат прошлогодних наблюдений LRO, а именно подтверждение наличия атомов гелия в составе лунной атмосферы, конечно, выглядит гораздо менее существенным — в конце концов первые свидетельства их присутствия были получены еще во время экспедиций «Аполлонов». Однако немалый интерес представляет вопрос об источнике его происхождения, которым может быть как солнечный ветер, так и процессы, протекающие в недрах Луны.

Но наступивший 2013 год в лунных исследованиях грозит стать еще более богатым на знаменательные события. Если все сложится хорошо и подготовка китайской миссии «Чанъе-3» пройдет штатно, то мы станем свидетелями первой после 1976 года мягкой посадки автоматического исследовательского аппарата на Луну, которая наверняка принесет и немало интересных научных результатов.

Марс

С интересом человечества к этой планете может соперничать разве что интерес к нашей Луне.

В прошедшем году основным событием в исследованиях Марса стала, безусловно, августовская посадка на поверхность планеты тяжелого марсохода Curiosity (миссия MSL, NASA). Таким образом, марсианская группировка земных КА становится самой крупной из числа присутствующих у других планет Солнечной системы. Она включает два марсохода: новый MSL и ставший уже ветераном Opportunity, и три орбитальных КА — принадлежащие NASA спутники MRO и Mars Odissey, а также Mars Express, управляемый ЕКА.

Именно последнему аппарату принадлежит самое громкое «марсианское» открытие прошедшего года — обнаружение на поверхности Марса с помощью подповерхностного радара MARSIS на глубине нескольких десятков метров обширных участков породы низкой плотности. Эта неизвестная пока порода по своим характеристикам напоминает земные осадочные породы и может свидетельствовать о том, что в древности в этом районе находился океан. Заметим, что на сбор и обработку этой информации ушло более двух лет.

Кроме того, на полученных снимках были обнаружены весьма своеобразные элементы рельефа марсианской поверхности, которые теоретически могли быть образованы текущей водой и движущимися ледниками.

Это, конечно, далеко не первые данные, из которых напрашивается вывод о существовании древнего марсианского океана. Однако многие детали до сих пор остаются не вполне понятными. Предполагается, что обширные океаны появлялись в истории Марса два раза — около 4 млрд лет назад, пока Марс еще обладал плотной атмосферой и достаточно теплым климатом, и около 3 млрд лет назад, когда случилось временное таяние огромных массивов льда, вызванное, вероятно, столкновением с каким-нибудь космическим телом.

Таким образом, мы получаем всё больше и больше свидетельств того, что в прошлом на Марсе была-таки вода. И — как знать — может быть, когда-нибудь земные исследовательские аппараты или даже астронавты обнаружат в толщах марсианской породы следы древней жизни?

Астероиды

Об объектах пояса астероидов не астрономы чаще всего говорят в двух направлениях: возможность их использования в качестве источников сырья и выработка методов предупреждения столкновения с Землей опасных космических объектов. Для ответа на оба вопроса необходимо как можно лучше понять природу многочисленных малых тел Солнечной системы.

В начале сентября ушедшего года находившийся на орбите одного из крупнейших астероидов, Весты, автоматический зонд Dawn (NASA) завершил научную программу и осуществил отлетный маневр, в результате которого вышел на перелетную орбиту к другой малой планете — Церере. Начался следующий этап его миссии, в случае успеха которого Dawn войдет в историю не только как первый космический аппарат, вышедший на орбиту вокруг астероида, но и как впервые совершивший перелет с орбиты вокруг одного тела Солнечной системы на орбиту вокруг другого.

И, конечно, практически все орбитальные исследования этой станции были пионерскими. Исследование минералогического состава поверхности, составление трехмерной модели внутреннего строения ближайших подповерхностных слоев, изучение гигантских кратеров Реясильвия и Верения, составление температурной карты поверхности Весты и обнаружение на ней значительных запасов водорода, выявление твердого железного ядра и точное определение размеров и массы Весты — это лишь неполный перечень наиболее интересных результатов миссии.

В ходе полета удалось установить, что Веста является протопланетой земного типа, развитие которой могли остановить гравитационные возмущения со стороны Юпитера. Кроме того, Dawn подтвердил версию о том, что целое семейство астероидов, называемых вестоидами, действительно могло образоваться в результате столкновения Весты с крупным космическим телом — вероятно, тем самым, которое оставило на ее поверхности кратер Реясильвия. Кстати, кратер этот имеет диаметр 505 км, что составляет почти 90% диаметра самой Весты, а пик, находящийся в его центре, — второй по высоте в Солнечной системе (23 км от самой нижней точки дна кратера) и уступает только марсианской горе Олимп!

В окрестности Цереры зонд должен выйти в феврале 2015 года. И, скорее всего, она принесет немало сюрпризов.

Сатурн

А в системе Сатурна продолжается миссия исследовательского аппарата Cassini (NASA), достигнувшего окрестностей планеты в 2004 году.

Эта миссия практически каждый год обогащает наши знания о Сатурне и его спутниках каким-нибудь существенным открытием. Не стал исключением и ушедший 2012-й. К числу наиболее значимых достижений следует отнести в первую очередь завершение создания глобальной карты самого крупного спутника Сатурна- Титана. Эту карту ученые собрали из снимков, сделанных в ходе  70 сближений станции с ним. Очень много сюрпризов преподнесло исследование достаточно плотной атмосферы Титана. Оказалось, что в ней, как и в земной атмосфере, бьют молнии, идут дожди, и даже собираются ливневые тучи. Вот только ливни они извергают не водяные, а метано-этановые. Но если кучевые облака ранее уже были обнаружены телескопом «Хаббл», а теперь Cassini подтвердил их существование, то перистые облака в верхних слоях атмосферы обнаружены впервые.

Кроме того, камеры аппарата отметили потемнения на поверхности Титана, которые могут объясняться результатом воздействия проливных сезонных дождей, затапливающих обширные территории. Примечательно, что в ходе более ранних наблюдений Cassini уже были обнаружены такие «озера» в приполярных областях. Но теперь же получены свидетельства того, что, как минимум, сезонные, а быть может, даже постоянные водоемы могут существовать и близ экватора. Таким образом, климат Титана в чем-то похож на земные тропики с характерными сезонами дождей. Разница лишь в том, что температура у поверхности совсем не соответствует «тропической» в земном смысле этого слова и составляет -170-180°С.

Одна из основных задач миссии-прояснить механизм, отвечающий за пополнение запасов метана в атмосфере спутника. Некоторые исследователи придерживаются теории существования на поверхности Титана криовулканов, извергающих в атмосферу воду, аммиак и соединения метана. Однако не все разделяют такую точку зрения, поэтому для окончательного вывода необходимо более пристальное изучение тех районов поверхности Титана, в которых были обнаружены элементы рельефа, похожие на вулканические образования.

Другой спутник Сатурна, Энцелад, также оказалась весьма интересным и непростым объектом. Данные, полученные Cassini, показывают, что геологически активная южная полярная область Энцелада характеризуется интенсивным тепловыделением, величина которого даже оказалась на порядок больше предсказанной ранее. Механизм выработки столь большого количества энергии пока остается непонятным для ученых и в немалой степени ставит под сомнение существующие модели. Но самым главным открытием Cassini на Энцеладе стало всё-таки подтверждение существования под ледяной корой, покрывающей поверхность спутника, огромного моря! Вблизи гейзеров, выбрасывающих на поверхность водяной пар и лед, были обнаружены гранулы, богатые натрием и калием, свидетельствующие о том, что значительная часть извергаемого материала является результатом испарения морской воды. Участники проекта считают полученные данные важнейшим доказательством того, что на некоторых спутниках планет-гигантов возможно существование условий, в которых теоретически может возникнуть жизнь.

Помимо этого в ходе обработки данных Cassini за предыдущие годы была обнаружена электрическая связь между Энцеладом и Сатурном — постоянно существующий ионно-электронный поток, связывающий эти небесные тела. Да и в целом, как выясняется, крохотный Энцелад оказывает немалое влияние на свою «материнскую планету»: судя по полученным данным и изображениям, частицы льда, извергаемые вулканами Энцелада, со временем встраиваются в одно из колец Сатурна, а часть из них даже достигает верхних слоев его атмосферы. Таким образом, с Энцелада к Сатурну перемещается не только заряд, но и вещество!

Конечно же, не только этими открытиями был ознаменован ушедший год для исследователей Солнечной системы. Но даже эти основные итоги подводить очень приятно. Земные космические аппараты работают около пяти из восьми планет, не исключено, что скоро в их ряды вольется миссия Juno (NASA) в системе Юпитера, неутомимые «Вояджеры» (NASA) уходят все дальше за границу гелиопаузы…

«Человеку нужно знать свой Дом. Весь свой Дом, а не один свой угол!» (Строчка из песни Виктора Берковского на стихи Дмитрия Сухарева.) Будем надеяться, что и следующие годы для нашей межпланетной космонавтики пройдут под этим славным девизом.