Меркурий, первоначальные сведения о котором приведены еще на шумерских клинописных табличках III тысячелетия до н. э., оказался одной из наиболее сложных для изучения планет. И неудивительно — с орбитой со средним диаметром всего 0,387 а. е. в моменты максимальных угловых удалений (максимальных элонгаций) он отстоит от центра солнца только на 28°. Поэтому невооруженным глазом заметить его можно лишь на восходе и закате недалеко от линии горизонта или же во время полных солнечных затмений.
Древние греки, наблюдавшие Меркурий, вначале полагали, что видят две разные планеты — утреннюю, именуемую Аполлоном, и вечернюю, называвшуюся Гермесом. Но примерно 2,5 тыс. лет назад стало ясно, что речь идет всё же об одном и том же небесном теле, за которым в итоге закрепилось имя Гермес в честь греческого бога — покровителя торговли и (что менее известно) воров. Имя же «Меркурий» пришло уже из римского пантеона.
Появление телескопов позволило проводить наблюдения Меркурия и в светлое время, но лишь в периоды, близкие к датам элонгаций, т. е. не более сорока дней в году. Остальное время увидеть планету, находящуюся почти у самого солнечного диска, не дает рассеяние солнечного света в атмосфере, да такие попытки и просто опасны для глаз.
При диаметре 4880 км угловой размер меркурианского диска при наблюдении с Земли не превышает десяти угловых секунд, что в сочетании с влиянием земной атмосферы тоже не благоприятствует изучению планеты, тем более особенностей ее поверхности. Исторический факт: Галилео Галилей, впервые наблюдавший Меркурий в телескоп в начале XVII века, не сумел обнаружить меркурианских фаз, которые увидел только в 1639 году итальянец Джованни Батиста Зупи. Орбитальные космические телескопы не сильно улучшают ситуацию. Так, легендарный «Хаббл» решено никогда не направлять на Меркурий, поскольку ошибка в наводке может стоить жизни аппаратуре этого уникального аппарата — вспоминаем про опасное соседство с солнцем.
Таким образом, для того чтобы увидеть поверхность Меркурия во всех подробностях, остается только один путь — приблизиться к ней с использованием межпланетных космических станций. Но и здесь природа поставила перед человеческим любопытством барьер: перелеты к Меркурию чрезвычайно сложны с точки зрения реализации.
Для того чтобы перейти в окрестности Меркурия по наиболее энергетически выгодной траектории, представляющей собой эллипс, касательный к орбитам обеих планет (гомановской траектории), и используемой при полетах к Марсу или Венере, космическому аппарату на околоземной орбите высотой 200 км потребуется сообщить отлетный импульс скорости примерно 5,55 км/с. Еще 7,55 км/с потребуются для торможения у самого Меркурия и выхода на орбиту вокруг него. А если мы хотим совершить посадку, то вторая величина составит уже 10,4 км/с. Все числа приведены без учета гравитационных потерь, величина которых зависит от удельного импульса применяемого двигателя и времени его работы. В отличие от тех же Марса или Венеры атмосфера при торможении не поможет — она на Меркурии настолько разряженная, что в практических и инженерных задачах ее можно даже не рассматривать. Кстати, для сравнения: при перелете по гомановской траектории к Марсу величины отлетного и тормозного импульсов скорости составят соответственно 3,61 км/с и 2,10 км/с, в случае посадки вторая величина составит 5,66 км/с. Еще для сравнения: запас характеристической скорости ракеты-носителя, выводящей спутники на околоземную орбиту с учетом гравитационных и аэродинамических потерь, составляет около 9,5 км/с.
Как видим, если задаваться целью полета по гомановской траектории, то космический аппарат должен обладать суммарным запасом характеристической скорости не менее 13,1 км/с, а на самом деле бо́льшим. Что существенно превышает энергетические требования даже к ракетам-носителям.
Для того чтобы обойтись меньшими затратами, потребуется более сложная схема перелета с использованием гравитационных маневров, в ходе которых космический аппарат разгоняется в поле тяготения попадающихся на его пути планет «бесплатно», не затрачивая драгоценное топливо. Но, во-первых, для того, чтобы реализовать такую сложную баллистическую схему, требуется уметь очень точно управлять космическим аппаратом. Во-вторых, «кружной» путь существенно увеличивает продолжительность перелета, и если по оптимальной траектории аппарат вышел бы к Меркурию уже через 105,5 суток после отлета с околоземной орбиты, то полет единственного пока земного КА Messenger, побывавшего на околомеркурианской орбите, продлился 6,5 лет.
Из этого обстоятельства вытекают чрезвычайно высокие требования к бортовой аппаратуре и ее компонентам, которые должны выдержать столь долгую дорогу через космическое пространство и не потерять при этом работоспособности. Добавьте к этому в семь раз большую солнечную постоянную на орбите Меркурия и соответствующее возрастание тепловых нагрузок. Вспомните про радиацию, испускаемую близкой звездой. Близок локоть, да не укусишь!
Впрочем, в 1962 году астрономы установили, что через десять лет расположение трех планет — Земли, Венеры и Меркурия — позволит осуществить перелет в окрестности ближайшей к Солнцу планеты с использованием маневра в окрестностях Венеры, причем за время, не сильно превышающее продолжительность полета по гомановской траектории. Правда, речь шла только о пролете мимо Меркурия, но никак не о выходе на орбиту вокруг него. Однако использовать представившуюся возможность было весьма заманчиво, тем более, что следующая открывалась только в середине 1980-х. И в 1968 году идею такой миссии поддержал Комитет по научным проблемам освоения космического пространства, а спустя год разработка миссии была одобрена Конгрессом США.
Уже в 1969 году сообщалось о планах посылки к Меркурию в 1975 году космического аппарата MESO (Mercure Sonde), при этом аппарат должен был пролететь на расстоянии в 5000 км от планеты. Предполагалось, что спутник, изготовленный в ФРГ, будет выведен на орбиту носителем «Атлас-Центавр» с разгонным блоком «Бёрньер–2», а основным объектом исследования станет поверхность планеты и ее атмосфера. Разрешение снимков, полученных с пролетной траектории, должно было составить 200 м.
Но в реальности первым космическим аппаратом, побывавшим в окрестностях первой планеты от Солнца, стала станция Mariner 10 («Ма́ринер-10»), запущенная 3 ноября 1973 года с космодрома на мысе Канаверал ракетой-носителем «Атлас-Центавр» (Atlas SLV-3D/Centaur D-1A). Перед ней ставились задачи по фотографированию недоступных с Земли деталей поверхности, уточнению массы планеты, изучению состава возможной атмосферы, свойств околопланетной среды. В состав бортового оборудования входили камера ультрафиолетового диапазона, ультрафиолетовый спектрометр, инфракрасный радиометр, детектор солнечной плазмы, счетчики Гейгера — Мюллера для регистрации заряженных частиц и два магнитометра.
В ходе полета впервые в межпланетных миссиях была применена уже упоминавшаяся схема перелета с гравитационным маневром (самый первый в практической космонавтике гравитационный маневр был осуществлен советской лунной станцией «Луна-3»).
5 февраля 1974 года Mariner 10 прошел мимо Венеры на расстоянии 5768 км. В ходе пролета аппарат передал на Землю более трех тысяч снимков планеты. Разогнавшись в поле венерианского тяготения, он вышел на траекторию перелета к Меркурию и 29 марта 1974 года совершил пролет на высоте 703 км над меркурианской поверхностью, успешно выполнив съемку и различные измерения. На этом миссия, согласно первоначальному плану, должна была завершиться. Но когда баллистики просчитали траекторию станции после встречи с Меркурием, то результаты их настолько поразили, что вначале были интерпретированы как ошибочные, — верить в такую удачу было немыслимо! Оказалось, что Mariner 10 выходит на гелиоцентрическую орбиту с периодом 176 суток. Так как период обращения самого Меркурия составляет 88 суток, то уже через два меркурианских года Mariner 10 должен был повторно сблизиться с планетой фактически в той же точке, вблизи афелия. В итоге, несмотря на ряд проблем, возникших в работе бортовых систем космического аппарата, удалось осуществить еще два дополнительных пролета — 21 сентября 1974 года на высоте 48 069 км и 16 марта 1975 года на высоте 327 км. Возможно, удалось бы и больше, но 24 марта закончились запасы рабочего тела двигателей ориентации, и миссия была завершена.
По итогам трех пролетов Mariner 10 передал на Землю около 3500 снимков, на которых были запечатлены примерно 45% площади планеты с разрешением до 1 км, при этом максимальное разрешение в некоторых районах доходило до 50 м.
Что ограничивало возможности станции по съемке поверхности? Как мы уже отметили, интервал между пролетами составлял 176 суток. За это время Меркурий делал не только два витка вокруг Солнца, но и три оборота вокруг оси, т. е. во время каждого из пролетов находился в одном и том же положении относительно Солнца и космического аппарата. В итоге перед камерами Mariner 10 каждый раз представало освещенное Солнцем западное полушарие планеты, из которого удалось отснять сектора между 120–190° з. д. и 0–50° з. д. Восточная сторона все три раза оставалась неосвещенной, и взглянуть на нее удалось лишь спустя без малого сорок лет, уже в ходе полета миссии Messenger. Поверхность Меркурия на полученных снимках оказалась сходной с поверхностью Луны и покрыта многочисленными ударными кратерами, различавшимися по размерам. В то же время на ней были найдены и нехарактерные для лунного рельефа эскарпы (обрывы) высотой до 3 км и протяженностью до сотни километров. Самым интересным оказалось то, что аппарат обнаружил одну кольцевую структуру, похожую на лунные моря, но очень крупную. Она была названа Caloris Planitia, или Равнина Жары. Правда, в ходе пролета удалось отснять лишь меньшую ее половину; вторая в силу указанных выше обстоятельств оставалась затененной.
Выяснилось, что меркурианские кратеры по диаметру и глубине меньше, чем лунные. Ученые объяснили это более сильной гравитацией Меркурия (3,72 м/c2 против 1,62 м/c2) — при одной и той же энергии соударения реголит, выбивавшийся взрывом из меркурианской поверхности, падал ближе к центру кратера, чем на Луне, покрывая примерно в пять раз меньшую площадь.
Отражающая способность поверхности Меркурия оказалась меньше, чем у Луны. В то же время наиболее яркие кратеры обоих небесных тел — меркурианский Койпер и лунный Аристарх — имели близкую яркость. Кроме того, на Меркурии не обнаружилось столь выраженных «морей» и его поверхность оказалась менее контрастна по сравнению с лунной. Схожесть же поляризационных свойств позволила предположить, что Меркурий так же, как и Луна, покрыт реголитом — базальтовыми породами типа анортозитов и KREEP-пород, но с бо́льшим, чем на Луне, содержанием железа и титана. С высоты пролетной орбиты удалось оценить и температуры поверхности. Согласно данным, полученным инфракрасным радиометром, в точке полудня поверхность планеты нагревалась до +186 °C, ночью же температура опускалась до -183 °C. Пересчет полученных результатов для точки перигелия орбиты Меркурия показал, что теоретически температура на полуденной стороне может достигать 610 °C! Однако, по современным данным, дневная сторона Меркурия может нагреваться до +290 °C в афелии и +420 °С при прохождении перигелия — любопытно, что при этом Солнце стоит точно над Равниной Жары или над противоположной ей точкой. Так что самое жаркое место в Солнечной системе пока остается на Венере (+475 °C), впрочем, Меркурий сохраняет первенство по величине дневных амплитуд температур.
Грустным для ученых известием стали результаты поиска меркурианской атмосферы. Фактически, ее не оказалось, хоть в окрестностях планеты и удалось найти следы гелия и водорода, а впоследствии еще аргона, неона, ксенона, натрия, кислорода, кальция и калия. Но давление этой газовой оболочки составляло где-то около 0,2 нПа. То есть правильнее было бы говорить даже не об атмосфере, а об экзосфере.
Еще одним крупным открытием, осуществленным в ходе первого пролета, было обнаружение вблизи Меркурия ударной волны плазмы, а также магнитного поля, хотя и чрезвычайно слабого. Но было ли оно собственным магнитным полем планеты либо наведенным в результате взаимодействия с солнечным ветром? Установить это удалось лишь во время третьего пролета, происходившего на минимальной высоте, в ходе которого было подтверждено, что обнаруженное магнитное поле действительно генерируется самим Меркурием. И это открытие в те годы стало настоящей научной сенсацией — дело в том, что, как гласила теория, для возбуждения поля необходимо наличие у планеты жидкого ядра, возможность существования которого представлялась сомнительной: столь небольшая планета, как Меркурий, должна была остыть еще в первую четверть своего возраста. В итоге существование магнетизма связали с наличием у планеты частично расплавленного металлического (железо-никелевого) ядра, поддерживаемого в жидком состоянии за счет действия приливного эффекта, обусловленного выраженным эксцентриситетом орбиты Меркурия. Исходя из весьма высокой средней плотности Меркурия (5,44 г/см3) удалось оценить размеры этого ядра, которое должно занимать до 50% объема планеты и простираться до 0,75-0,80 ее радиуса.
Таким образом, основными итогами миссии Mariner 10 стали получение фотографий половины поверхности Меркурия (которые до полета Messenger в 2011-2015 годах были, по сути, единственной картой этой планеты), измерение температуры поверхности, обнаружение магнитного поля и сбор первых сведений о газовом окружении планеты.
Чем всё же обусловлена столь большая плотность Меркурия? Какова его геологическая история и природа магнитного поля? Каково строение ядра? Каков состав атмосферы? Что происходит на полюсах? Наконец, что находится на 55% поверхности планеты, которые так и не удалось увидеть с борта Mariner 10?
На эти и другие вопросы ответа не было все последующие сорок лет. И о том, как ученые старались найти ответы на них в ходе следующей миссии к Меркурию, мы поговорим в продолжении материала.
А пока вспомним, что первый земной разведчик околосолнечных окраин Mariner 10, по всей видимости, и до сих пор движется по своей траектории, раз в 176 земных суток осуществляя встречу с первой планетой от Солнца, строго после того, как та сделает два оборота вокруг своей оси. И под его безжизненными уже объективами в который раз возникает всё один и тот же участок поверхности — тот самый, который впервые предстал его взору в марте 1974-го…
Иван Соболев,
технический директор ООО «Селеноход»
Автор пишет, что железо-никелевое ядро Меркурия поддерживаетcя в жидком состоянии за счет приливного эффекта. Рассчёты показывают, что это не так. Приливный нагрев никогда не играл значительной роли в тепловом балансе Меркурия. См. параграф 4 в этой статье:
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/795/1/7
И ещё одно недоразумение. Автор связывает приливный нагрев с высоким экцентриситетом. Это было бы так, если бы Меркурий пребывал в спин-орбитальном резонансе 1:1, т.е. совершал бы один оборот вокруг своей оси за время одного обхода вокруг Солнца (и был бы обращён к Солнцу одной стороной — как Луна по отношению к Земле). Но Меркурий находится в резонансе 3:2, т.е. совершает три оборота вокруг своей оси на протяжении своего года. В этой ситуации приливный горб постоянно двигается по поверхности Меркурия. Для приливного тепловыделения это обстоятельство куда важнее, чем вклад, порождённый экцентриситетом. (См. уравнение (16) в Ibid.)
A попадание Меркурия в резонанс 3:2 — это целая сага.