Двадцать лет назад миссия MESSENGER произвела революцию в нашем понимании Меркурия. Мы встретились с руководителем проекта и бывшим директором Carnegie Science Шоном Соломоном, чтобы поговорить о том, как создавалась миссия и какую новаторскую работу она позволила.

В: Как главный исследователь миссии MESSENGER, какие моменты вы считаете наиболее яркими или вызывающими наибольшую гордость за время миссии?

Шон Соломон: Для меня во время миссии MESSENGER было много ярких личных событий, начиная с нашего первоначального выбора НАСА в 1999 году и заканчивая публикацией научной группой MESSENGER всех результатов нашей миссии в книге, изданной почти два десятилетия спустя.

Самыми сложными событиями в любой миссии планетарного орбитального аппарата являются запуск и выход на орбиту. Успешное завершение этих двух этапов для MESSENGER — в 2004 и 2011 годах соответственно — стало для меня источником большой гордости за техническую компетентность всех инженеров, экспертов по проектированию миссий и руководителей проектов, которые внесли свой вклад в миссию.

Длительная часть полета миссии принесла множество научных достижений. Первый пролет MESSENGER мимо Меркурия в январе 2008 года дал первые новые наблюдения Меркурия с помощью космического аппарата за 33 года, и наша команда опубликовала 11 статей в одном выпуске журнала Science по результатам этих измерений шесть месяцев спустя.

Второй и третий пролеты дали новые результаты и больше специальных выпусков журнала. Четыре года на орбите вокруг Меркурия дали массу информации о самой внутренней планете и постоянный поток открытий.

Другим ярким моментом для меня стало наблюдение за профессиональным ростом ряда студентов, постдокторантов и молодых ученых, которые были частью научной группы MESSENGER в течение по крайней мере некоторой части миссии. Многие из них внесли значительный вклад в анализ и научную интерпретацию наблюдений миссии и сегодня входят в число ведущих экспертов по Меркурию.

Какие, по вашему мнению, были самыми новаторскими открытиями, сделанными 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 внутреннюю планету Солнечной системы. MESSENGER также нес более обширную полезную нагрузку инструментов, чем Mariner 10 — единственный другой космический аппарат, посетивший Меркурий до того времени — и 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 нескольких датчиков, включая рентгеновские, гамма- и нейтронные спектрометры; мультиспектральную съемку; и ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную спектрометрию. Ряд важнейших открытий MESSENGER был сделан в результате этих наблюдений.

MESSENGER задокументировал, что поверхность Меркурия богата серой и бедна железом, что указывает на то, что планета образовалась из гораздо более химически восстановленных материалов, чем те, которые образовали другие внутренние планеты и большинство родительских тел метеоритов. Это открытие указывает на сильную неоднородность в окислительно-восстановительном состоянии материалов в протопланетном диске пыли и газа, который вращался вокруг раннего Солнца и из которого произошли все объекты Солнечной системы.

Вопреки всем моделям, выдвинутым перед миссией MESSENGER для учета высокой объемной плотности Меркурия и предполагаемой высокой доли металла относительно силикатов, MESSENGER обнаружил, что Меркурий не обеднен умеренно летучими элементами. Вместо этого Меркурий демонстрирует поверхностные концентрации K, Na и Cl, сопоставимые с марсианскими.

Более того, MESSENGER обнаружил многочисленные геологические особенности, указывающие на наличие летучих веществ на глубине. Впадины — нерегулярные углубления, часто с плоским дном и яркими ореолами, которые лучше всего объясняются как образовавшиеся в результате потери летучего вещества из глубины после воздействия поверхностных условий Меркурия — широко распространены на поверхностных материалах, извлеченных ударами.

А среди вулканических особенностей Меркурия есть пирокластические отложения, продукты прошлых взрывных извержений, вызванных тем, что 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 относительно умеренно летучих видов по сравнению с другими внутренними планетами.

Из спектрального отражения MESSENGER, гамма-излучения и нейтронных наблюдений, поверхность Меркурия содержит углерод в концентрациях до нескольких весовых процентов, скорее всего, в форме графита. Концентрации углерода самые высокие в самых темных отложениях Меркурия, которые были вырыты во время образования крупных ударных кратеров.

Это открытие соответствует прогнозу о том, что современная кора Меркурия должна содержать остатки графитовой флотационной коры, образовавшейся во время остывания раннего магматического океана.

С помощью нейтронной спектрометрии, моделирования инсоляции с измеренным рельефом, а также отражения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спутник MESSENGER подтвердил, что полярные отложения Меркурия, обнаруженные в начале 1990-х годов с помощью наземных радиолокационных изображений, состоят в основном из водяного льда, стабильного в течение геологических временных масштабов в постоянно затененных областях на дне ударных кратеров, расположенных на самых высоких широтах.

Дальше от полюсов водяной лед в полярных отложениях также термически стабилен в геологических временных масштабах, но только если покрыт тонким изолирующим слоем, и такой слой обнаружен нейтронной спектрометрией. Измерения отражательной способности показывают, что изолирующий слой темнее любого другого материала на поверхности Меркурия и имеет характеристики термической стабильности, соответствующие органическим материалам, обнаруженным в кометах и ​​метеоритах, богатых летучими веществами.

Эти наблюдения позволяют предположить, что постоянно затененные области высокоширотных кратеров Меркурия являются свидетельствами доставки воды и органических льдов из внешней части Солнечной системы во внутреннюю часть — процесса, который считается важным для определения запасов воды и пребиотических соединений на ранней Земле.

Наиболее примечательные открытия MESSENGER вышли за рамки геохимического дистанционного зондирования и охватили многие другие аспекты планеты, ее окружающей среды и ее истории:

Геодезические и гравитационные измерения 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.

Из измерений орбитального магнитного поля MESSENGER показал, что у Меркурия есть дипольное внутреннее магнитное поле, вероятно, созданное, как и на Земле, динамо 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, результат, не предсказанный теоретическими моделями динамо до миссии MESSENGER.

Наблюдения MESSENGER за распределением и геометрией тектонических особенностей поверхности Меркурия показывают, что внутренняя часть планеты остыла и сжалась больше, чем предполагалось ранее. Важно, что оценки такого сжатия после окончания интенсивной бомбардировки внутренней части Солнечной системы теперь согласуются с прогнозами моделей тепловой эволюции мантии и ядра Меркурия.

MESSENGER показал, что разреженная нейтральная атмосфера Меркурия — поверхностная экзосфера — меняется сезонно в зависимости от изменения расстояния планеты от Солнца в течение меркурианского года. Более того, распределение по времени суток отличается среди наиболее важных атмосферных компонентов (Na, Ca, Mg), полученных из поверхностных материалов, что указывает на различное сочетание исходных процессов для каждого, а сезонные изменения для Mg содержат сигнатуру различий в поверхностном содержании Mg среди основных геохимических террейнов на поверхности.

Поскольку Меркурий находится гораздо ближе к Солнцу, чем Земля, а его магнитная дипольная сила слабее на три порядка, его магнитосфера намного меньше земной, и MESSENGER продемонстрировал, что все магнитосферные явления происходят в гораздо более коротких временных масштабах. Магнитосфера Меркурия принимает всплески энергичных электронов, но не имеет прочных радиационных поясов, как на Земле.

Примечательно, что Меркурий испытывает гораздо более высокие скорости магнитного пересоединения, чем Земля, и периодические обрушения дневной магнитосферы в ответ на необычно сильное давление солнечного ветра. Воздействие на поверхность такого прямого воздействия солнечного ветра способствует изменению поверхностных материалов быстрее, чем на других безвоздушных или почти безвоздушных телах, и образованию нейтральной атмосферы Меркурия.

Заглядывая вперед, как вы представляете себе будущие миссии на Меркурий, основанные на фундаменте, заложенном MESSENGER, и какие ключевые научные вопросы, как вы надеетесь, они позволят решить?

Следующая миссия к Меркурию уже в процессе — двойная орбитальная миссия 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 большая амбициозность и сложность, а также его многонациональный и многоагентский характер привели к гораздо более длительному времени разработки.

Космические аппараты BepiColombo были запущены в 2018 году и должны быть выведены на орбиту вокруг Меркурия в конце следующего года. Поскольку эта миссия включает в себя два космических аппарата, работающих одновременно, включает в себя больше инструментов, чем MESSENGER, и будет рассматривать планету с разных орбит, наблюдения, которые будет проводить BepiColombo, обещают дополнить и расширить наблюдения MESSENGER несколькими способами.

Однако существуют ограничения в измерениях с орбиты, поэтому следующая миссия НАСА на Меркурий, вероятно, будет представлять собой посадку на аппарат.

Цели миссии спускаемого аппарата на Меркурий будут зависеть от выбора места посадки, но, скорее всего, будут включать химический, минералогический и изотопный анализ материалов поверхности Меркурия для обеспечения наземной достоверности данных для орбитального дистанционного зондирования и ограничения магматических и поверхностных геологических процессов и их истории; сейсмические и геодезические измерения для характеристики тектонических и ударных источников сейсмичности и улучшения информации о внутренней структуре планеты; а также измерения магнитного поля и энергичных частиц для расширения знаний о магнитном поле земной коры Меркурия и взаимодействиях между магнитосферой, поверхностью и недрами.

Посадочный модуль на полярные отложения Меркурия также позволит провести натурный анализ льдов, образовавшихся в результате падения комет и астероидов, богатых летучими веществами, из внешних областей Солнечной системы, а также получить важную информацию о природе процессов смешивания и потери летучих веществ на поверхности Меркурия.

Каково значение инициатив по информированию общественности и образованию, таких как усилия группы по образованию и информированию общественности MESSENGER, для привлечения более широкой общественности к миссиям по исследованию космоса?

Исследование Солнечной системы финансируется налогоплательщиками, и общественность заслуживает того, чтобы ей рассказали, почему каждая такая миссия имеет смысл и что она открыла о наших соседних планетах, а также о нашем собственном мире. Более того, исследование космоса — увлекательная тема для аудитории любого возраста.

Студенты в особенности тянутся к этой теме, и некоторые из них будут мотивированы своим интересом к исследованию космоса, чтобы продолжить карьеру в науке и инженерии на протяжении всей жизни. В более широком смысле, технически грамотная общественность имеет жизненно важное значение для страны, поскольку все большее число тем, критически важных для будущего общества, основано на понимании, подкрепленном продолжающимися научными открытиями.

И наконец, какой урок или послание, по вашему мнению, будущие поколения ученых и исследователей извлекут из достижений миссии MESSENGER?

Исследование Солнечной системы учит нас, что достижение некоторых целей требует исключительного терпения и настойчивости. Я был молодым доцентом, когда первая космическая миссия к Меркурию — Mariner 10 — вернула первые крупные планы этой планеты в середине 1970-х годов. Позже в том же десятилетии я помог написать первую стратегию научного исследования Меркурия, которая последовала за этой миссией.

По разным причинам потребовалось еще два десятилетия, прежде чем вторая миссия к Меркурию, MESSENGER, была выбрана для полета. Обеспечение финансирования и завершение разработки этого космического корабля заняло еще пять лет, и MESSENGER провел в полете более шести с половиной лет — более 15 оборотов вокруг Солнца — прежде чем стал первым космическим кораблем, вышедшим на орбиту Меркурия.

Конец орбитальных операций MESSENGER четыре года спустя наступил через 40 лет после того, как Mariner 10 передал свои последние данные. Теперь мы знаем гораздо больше об одном из наших ближайших планетарных соседей, чем раньше, но путешествие было долгим.