Тайны первой планеты: как миссия BepiColombo будет исследовать Меркурий и какой российский прибор ей в этом поможет

В ноябре 2026 года произойдет событие, которого уже восемь ждут любители космонавтики: европейско-японский зонд BepiColombo должен выйти на орбиту Меркурия, чтобы через некоторое время приступить к дистанционному изучению ближайшей к Солнцу планеты. Среди инструментов миссии есть четыре прибора, созданных с участием ученых из РФ, а один из них, нейтронный спектрометр МГНС, полностью российский.

О том, чем займется BepiColombo, насколько важна для науки эта миссия и почему водяной лед на Меркурии — отнюдь не фантастика, Vokrugsveta.ru рассказал заведующий отделом ядерной планетологии Института космических исследований (ИКИ) РАН Игорь Георгиевич Митрофанов, руководивший созданием МГНС.

История миссии BepiColombo

BepiColombo — совместный проект Европейского космического агентства (ESA) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), целью которого является изучение Меркурия. Предварительный план миссии к Меркурию в ESA одобрили еще в 2000 году, однако на детальное проектирование и сборку BepiColombo ушло почти восемнадцать лет — запуск аппарата на борту ракеты-носителя Ariane 5 с космодрома Куру во Французской Гвиане состоялся 20 октября 2018-го, на четыре года позже, чем планировалось изначально.

На старте миссия, полет которой продолжается уже без малого восемь лет, состояла из трех основных элементов общей массой 4100 кг: произведенных в Европе перелетного модуля MTM (Mercury Transfer Module) и орбитального модуля MPO (Mercury Planetary Orbiter), а также японского орбитального модуля Mio или MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter).

3 сентября 2026 года два научных аппарата миссии успешно отделились от перелетного модуля в преддверии выхода на орбиту вокруг ближайшей к Солнцу планеты, который должен завершиться 21 ноября 2026 года.

Почему полет BepiColombo занял так много времени? Ответ кроется в законах небесной механики. Самый сложный этап полета к Меркурию — не разогнаться, а затормозить. Если бы зонд летел к планете по прямой, он набрал бы слишком высокую скорость, и гравитация Меркурия не смогла бы захватить его. Именно поэтому BepiColombo совершил девять гравитационных маневров — каждый из них был необходим, чтобы снизить скорость относительно Солнца и скорректировать траекторию.

Первый такой маневр состоялся у Земли 10 апреля 2020 года. Затем последовали два пролета мимо Венеры — 15 октября 2020 года и 11 августа 2021 года. Затем настала очередь для шести пролетов мимо самого Меркурия, состоявшихся с октября 2021-го по январь 2025 года. Минимальное расстояние зонда от поверхности планеты составило 165 км — так близко от Меркурия BepiColombo оказался во время четвертого пролета в сентябре 2024 года. Тогда же из-за недостаточной тяги двигателей перелетного модуля, выход миссии на орбиту планеты перенесли с декабря 2025 года на конец 2026-го.

Если все пойдет по плану, то 9 или 10 декабря MPO «выпустит» японский зонд на эллиптическую орбиту с перицентром (минимальным расстоянием от поверхности Меркурия) 590 километров и апоцентром (максимальным расстоянием) 11 640 километров. Через неделю после этого MPO начнет переход на собственную расчетную орбиту с апоцентром 1500 километров над южным полушарием Меркурия и перицентром 480 километров над северным. Научная фаза миссии должна начаться 6 апреля 2027 года.

Научные инструменты миссии

BepiColombo снабдили шестнадцатью разными приборами, рассредоточенными по двум орбитальным модулям. Так, европейский модуль MPO при помощи одиннадцати инструментов будет заниматься картографированием поверхности Меркурия в разных диапазонах и изучением его состава, а японский MMO с пятью инструментами на борту сосредоточится на исследовании магнитного поля и магнитосферы.

Четыре прибора миссии BepiColombo были созданы при участии российских ученых. Один из них, Меркурианский гамма- и нейтронный спектрометр (МГНС), установленный на MPO, полностью разработан и изготовлен в Институте космических исследований РАН. Его задача — регистрация потоков нейтронов и гамма-лучей от поверхности планеты. По этим данным можно восстановить химический состав поверхности Меркурия и измерить массовую долю воды в верхнем слое грунта в окрестности полюсов.

— Мы уже Меркурий, что называется, почувствовали. Благодаря BepiColombo мы уже побывали в его окрестностях — на расстоянии порядка нескольких сотен километров от планеты, получили первые данные. Увидели все то, что и ожидали: Меркурий излучает нейтроны, мы их видим, он излучает гамма-излучение — мы это тоже видим, — говорит Игорь Митрофанов, заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН.

Но главные открытия, по его словам, еще впереди: их время настанет, когда научные модули приступят к работе на целевых орбитах.

Второй из упомянутых приборов — панорамный энерго-масс-спектрометр положительно заряженных ионов PICAM (Planetary Ion Camera), входящий в плазменный комплекс SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances). Это совместная разработка Австрии, Франции и России. Прибор, также размещенный на модуле MPO, предназначен для изучения процессов, связанных с выбросом нейтральных частиц с поверхности Меркурия и их ионизацией.

Третий — ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy). Головной разработчик — французское космическое агентство CNES; российская сторона предоставила входной оптический блок. Прибор модуля MPO работает в диапазоне длин волн от 55 до 330 нанометров и предназначен для изучения состава экзосферы Меркурия.

Четвертый — камера MSASI (Mercury Sodium Atmosphere Spectral Imager), созданная в кооперации ученых России и Японии и установленная на модуле MMO. Она будет наблюдать экзосферу в спектральных линиях натрия, что поможет понять причины появления этого элемента в ближайшем космическом окружении Меркурия.

Остальные инструменты BepiColombo предназначены для решения широкого круга задач. Лазерный альтиметр BELA создаст подробную топографическую карту Меркурия, а акселерометр ISA позволит изучать внутреннее строение планеты и с высокой точностью проверять некоторые положения общей теории относительности.

Магнитометр MPO-MAG исследует магнитное поле Меркурия и его взаимодействие с солнечным ветром. Инфракрасный спектрометр MERTIS определит минеральный состав поверхности планеты, ее температуру и тепловые свойства, а рентгеновский спектрометр MIXS — элементный состав пород.

Радионаучный эксперимент MORE поможет изучить гравитационное поле Меркурия, ядро планеты и гравитационное влияние Солнца на Меркурий. Комплекс SIMBIO-SYS будет получать стереоскопические и цветные изображения поверхности и исследовать ее геологию и состав, а рентгеновский спектрометр SIXS — отслеживать рентгеновское излучение и частицы солнечного происхождения.

На японском модуле MMO, кроме камеры MSASI, установлены магнитометр MGF для изучения магнитосферы, пылевой детектор MDM, комплекс MPPE для исследования плазмы и потоков энергичных частиц, а также инструмент PWI для изучения плазменных волн.

Как настроиться на звон меркурианских колокольчиков

В течение всего полета BepiColombo многие установленные на модулях миссии приборы периодически включались для сбора различных данных и калибровки. Российский МГНС не стал исключением.

— Мы регистрировали космические гамма-всплески — участвовали в межпланетной сети наблюдения за ними, — рассказывает Игорь Митрофанов.

Также МГНС наблюдал за солнечными событиями. Поскольку Меркурий находится близко к Солнцу, это было особенно интересно. Прибор работал и во время пролетов BepiColombo мимо Венеры — на основе полученных данных уже готовится научная статья.

Но главной задачей ученых из ИКИ РАН была именно калибровка МГНС.

— Каждый атом имеет свои уровни возбуждения. Их можно уподобить колокольчикам. Каждый колокольчик со своей массой имеет свою частоту, на которой он прозвучит, если по нему ударить. Точно так же каждое атомное ядро со своим элементом имеет свои уровни возбуждения, — объясняет Игорь Митрофанов принцип работы гамма- и нейтронного спектрометра. — Галактические космические лучи бомбардируют поверхность Меркурия, проникая на глубину около одного метра, и ударяют по ядрам атомов. Возбужденные ядра испускают гамма-кванты с энергией, характерной именно для этого элемента — вот они, те самые «колокольчики». Спектрометр регистрирует эти «звуки» и по ним определяет, какие элементы присутствуют в поверхностном слое планеты и в каких пропорциях.

Однако проблема заключается в том, что прибор точно так же регистрирует «звон», который издает под воздействием галактических космических лучей и сам BepiColombo. Здесь и возникает необходимость очень точной калибровки МГНС.

— Этот собственный «звон» зонда мы должны вычесть из сигнала планеты. Пока аппарат летел в единой связке из трех модулей, мы изучали этот фон. Когда перелетный модуль отделился, мы провели дополнительные калибровки — это оказался решающий этап, чтобы правильно вычитать фон при орбитальном картографировании, — говорит Митрофанов.

По словам ученого, используемый МГНС метод анализа химического состава незаменим при изучении планет и их спутников с тонкой атмосферой или вовсе без нее — таких как Меркурий, Марс или Луна. И он же особенно важен для поиска воды — водород, входящий в ее состав, дает характерный нейтронный сигнал.

Вода на южном полюсе и другие тайны Меркурия

Температура на дневной стороне Меркурия достигает 427 °C. Казалось бы, о какой воде там может идти речь? Но именно тут скрывается один из удивительных парадоксов Солнечной системы.

— Ось вращения Меркурия очень хорошо согласуется с перпендикуляром к плоскости эклиптики, — рассказывает Игорь Георгиевич. — Солнечные лучи в окрестностях полюсов идут практически по касательной к поверхности. Из-за того, что поверхность Меркурия испещрена ударными кратерами, там есть такие впадины, куда Солнце вообще никогда не заглядывает.

В этих вечно затененных кратерах, которые астрономы называют «ловушками холода», температура может опускаться до -180 °C. Именно там, по мнению ученых, должен накапливаться водяной лед. Толщина этих залежей, по данным, полученным в ходе миссии Messenger, может достигать нескольких метров.

Откуда же на Меркурии берется вода? Есть два основных механизма водообразования. Первый из них — кометный: кометы приносят воду, врезаясь в Меркурий. Второй — солнечный.

— Солнечный ветер — это плазма, где положительные частицы — протоны, по сути ионы водорода. Взаимодействуя с поверхностью, они могут образовывать гидроксил, который подхватывает потом еще один атом водорода и превращается в воду. Такая как бы солнечная вода, — рассказывает Митрофанов.

Он добавляет, что молекулы воды, попадая в разреженную экзосферу Меркурия, могут случайно угодить в один из вечно затененных кратеров на полюсе.

— Из-за того, что там очень холодно, они просто намерзают на поверхности и остаются там навсегда. За продолжительное время существования планеты в такой конфигурации там вполне может накопиться водяной лед, — поясняет ученый.

Это не просто догадки — американский аппарат Messenger с помощью нейтронной спектроскопии уже подтвердил наличие льда на северном полюсе Меркурия. Но южный полюс остался практически необследованным из-за особенностей орбиты зонда.

— BepiColombo же будет летать по полярной орбите. То есть, мы над обоими полюсами будем пролетать примерно на одинаковом и достаточно близком расстоянии, — говорит Игорь Георгиевич. — В этом и состоит главное научное преимущество новой миссии. На южном полюсе Меркурия еще никто не бывал. Мы построим первую карту нейтронного потока, по величине которого мы сможем определить содержание воды в окрестностях южного полюса.

Помимо поиска воды, МГНС будет картографировать распространенность химических элементов на всей поверхности планеты. Это поможет ответить на один из главных вопросов, интересующих ученых: почему у Меркурия такая высокая плотность?

— Доля тяжелых элементов, особенно железа, там гораздо выше, чем на Земле или Марсе. Это связано с тем, что Меркурий формировался в самой горячей зоне протопланетного диска, где конденсировались тугоплавкие вещества, — объясняет Митрофанов. — Крайне интересно будет узнать: каков точный процент железа в разных химических соединениях на поверхности Меркурия? И какие там есть другие металлы?

Особый интерес, по его словам, представляют естественные радиоактивные изотопы — калий-40, уран, торий.

— Данные элементы имеют разные соотношения на разных небесных телах. Это важная задача — понять, каково соотношение тория и калия-40 для Меркурия. Тогда у нас возникнет больше понимания о том, какая космохимия имела здесь место, когда эта планета еще только формировалась, — добавляет ученый.

Данные МГНС помогут и в изучении магнитного поля Меркурия.

— Само магнитное поле мы не измеряем — это задача японских коллег. Но мы можем работать вместе с ними в периоды солнечных протонных событий, то есть мощных вспышек Солнца, — говорит Митрофанов. — Во время таких событий поверхность Меркурия начинает «шуметь» по-другому. Мы увидим, как меняется ядерное излучение поверхности в ответ на удар солнечных частиц, а японцы будут наблюдать эффекты в магнитосфере. Совместно мы сможем изучить взаимодействие солнечного ветра с экзосферой и поверхностью Меркурия — это будет уникальная информация.

Еще одну загадку представляет собой экзосфера Меркурия. Это не атмосфера в привычном смысле, а крайне разреженная внешняя оболочка планеты, состоящая из атомов, выбитых с ее поверхности солнечным ветром и микрометеоритами. В составе меркурианской экзосферы уже зафиксированы водород, натрий, калий, магний и железо. Российско-японская камера MSASI поможет наблюдать за натрием в экзосфере, что позволит понять причины его появления в ней. А ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS изучит другие компоненты этой разреженной оболочки Меркурия.

Азарт первооткрывателя

По словам Митрофанова, основная фаза картографирования продлится около года.

— Мы будем накапливать сигнал по пикселям — квадратикам широты-долготы. Когда будем каждый раз пролетать над каждым отдельным пикселем, мы будем присваивать данному пикселю те данные, которые в этот момент регистрируем. И вот так у нас медленно-медленно и будет формироваться карта поверхности Меркурия, — объясняет он.

Игорь Георгиевич признается, что по мере приближения даты выхода BepiColombo на орбиту Меркурия он испытывает все возрастающие тревогу и волнение.

— Меркурий из-за присущей ему высокой радиации — это крайне опасная среда для аппаратуры. У миссии Messenger, наших предшественников, гамма-спектрометр вышел из строя раньше срока, — напоминает ученый. — Для нас время накопления сигнала критически важно, поэтому главное мое пожелание — чтобы электроника выдержала. Но в то же время я ощущаю азарт и любопытство. Мне страшно интересно, ведь на южном полюсе Меркурия еще никто не бывал. Что там творится, мы пока ещё не знаем. Но скоро, надеюсь, узнаем.