W czerwcu 2023 roku, gdy sonda BepiColombo przelatywała w pobliżu Merkurego, naukowcy zarządzający misją zdecydowali się przetestować instrumenty naukowe zamontowane na pokładzie. Podczas krótkiego przelotu, trwającego około 30 minut, udało się częściowo zbadać pole magnetyczne planety. Uczeni dostrzegli spodziewane struktury, ale było też kilka niespodzianek.
Merkury to najmniejsza i najbliższa naszej gwiazdy planeta Układu Słonecznego. Okrąża Słońce co 88 dni. Ma śladową atmosferę, a jej powierzchnia z licznymi kraterami uderzeniowymi przypomina Księżyc. Temperatura oscyluje tam między minus 183 st. Celsjusza a 427 st. Celsjusza. Planeta nie posiada naturalnych satelitów. Można ją dostrzec gołym okiem, jednak ze względu na bliskość gwiazdy, obserwacje z Ziemi powiodą się jedynie tuż przed wschodem lub tuż po zachodzie Słońca.
Merkury, mimo że jest znany ludzkości już od czasów starożytnych, jest jedną z najmniej zbadanych planet Układu Słonecznego i skrywa przed nami kilka tajemnic. Naukowców od lat zastanawia zaskakująco wysoka gęstość planety. Do tego Merkury ma własne pole magnetyczne, jako jedyna poza Ziemią planeta skalista w Układzie Słonecznym. Przelatując w 2023 roku sonda BepiColombo scharakteryzowała niektóre jego cechy.
Opis oraz rezultaty prac ukazały się na łamach pisma „Communications Physics” (DOI: 10.1038/s42005-024-01766-8).
Bliskie przeloty BepiColombo
Pole magnetyczne Merkurego jest znacznie słabsze niż ziemskie. Niemniej jednak tworzy bańkę w przestrzeni, zwaną magnetosferą, która działa jak bufor dla ciągłego przepływu cząstek wyrzucanych przez Słońce jako wiatr słoneczny. Ponieważ Merkury orbituje tak blisko Słońca, interakcja wiatru słonecznego z magnetosferą, a nawet powierzchnią planety jest o wiele intensywniejsza niż na Ziemi. Badanie dynamiki tej bańki i właściwości zawartych w niej cząstek jest jednym z głównych celów misji BepiColombo.
Wysłana w podróż przez Europejską Agencję Kosmiczną oraz Japońską Agencję Eksploracji Aerokosmicznej sonda BepiColombo ma wejść na orbitę Merkurego w 2026 r., wykorzystując przeloty obok Ziemi, Wenus i samego Merkurego, aby dostosować swoją prędkość i trajektorię. Podczas przelotów w pobliżu Merkurego, instrumenty naukowe zamontowane na pokładzie sondy dają przedsmak tego, co misja może zdziałać po dotarciu na orbitę wokół najbardziej wewnętrznej planety Układu Słonecznego. Ponadto przeloty dają okazję na przeprowadzenie pomiarów z lokalizacji i perspektywy, do których nie będzie bezpośredniego dostępu z orbity.
19 czerwca ubiegłego roku sonda już po raz trzeci przeleciała w pobliżu Merkurego. Podczas przelotu badacze uruchomili zainstalowany na pokładzie zestaw instrumentów Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE). Wystarczyło pół godziny, by stworzyć imponujący obraz magnetycznego krajobrazu planety.
Pole magnetyczne Merkurego
Połączenie pomiarów BepiColombo z modelowaniem komputerowym w celu określenia pochodzenia wykrytych cząstek na podstawie ich ruchu pozwoliło Hadid i jej współpracownikom naszkicować różne cechy napotkane w magnetosferze.
– Zauważyliśmy oczekiwane struktury, takie jak granica między swobodnie płynącym wiatrem słonecznym a magnetosferą, a także „rogi” otaczające płaszcz plazmy – obszar gorętszego, gęstszego naładowanego elektrycznie gazu, który wypływa jak ogon w kierunku przeciwnym do Słońca. Ale było też kilka niespodzianek – wyjaśniła Hadid.
Niespodzianki
– Wykryliśmy tak zwaną warstwę graniczną niskich szerokości geograficznych zdefiniowaną przez obszar turbulentnej plazmy na skraju magnetosfery i tutaj zaobserwowaliśmy cząstki o znacznie szerszym zakresie energii niż kiedykolwiek wcześniej widzieliśmy na Merkurym. Było to możliwe w dużej mierze dzięki czułości sprzętu zaprojektowanego specjalnie dla złożonego środowiska Merkurego. BepiColombo będzie w stanie określić skład jonów magnetosfery Merkurego bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek – powiedziała Dominique Delcourt, współautorka publikacji.
– Zaobserwowaliśmy również energetyczne gorące jony w pobliżu płaszczyzny równikowej i na niskich szerokościach geograficznych uwięzione w magnetosferze i uważamy, że jedynym sposobem na wyjaśnienie tego jest prąd pierścieniowy, częściowy lub całkowity – dodaje Hadid.
Prąd pierścieniowy to ruch naładowanych elektrycznie cząstek uwięzionych w magnetosferze. Ziemia ma dobrze poznany prąd pierścieniowy znajdujący się dziesiątki tysięcy kilometrów od jej powierzchni. Nie jest jasne, w jaki sposób na Merkurym cząstki mogą pozostać uwięzione w promieniu kilkuset kilometrów od planety.
Hadid i jej współpracownicy zaobserwowali również bezpośrednią interakcję statku kosmicznego z otaczającą go plazmą. Gdy sonda jest ogrzewana przez Słońce, nie może wykryć zimniejszych, ciężkich jonów, ponieważ sam statek zostaje naładowany elektrycznie i je odpycha. Ale gdy sonda przemieszcza się przez cień planety, widoczne staje się morze zimnych jonów plazmy. Na przykład statek kosmiczny wykrył jony tlenu, sodu i potasu, które prawdopodobnie zostały wyrzucone z powierzchni planety w wyniku uderzeń mikrometeorytów lub w wyniku interakcji z wiatrem słonecznym.
BepiColombo
Misja BepiColombo jest trzecią misją do Merkurego oraz pierwszą, której nie realizuje NASA. Misja pierwotnie miała wystartować w lipcu 2014 roku. Jednak z powodu opóźnień związanych z kwestiami technicznymi i w ich następstwie kolejnych związanych z doborem odpowiedniej trajektorii lotu, kilkakrotnie przekładano start BepiColombo.
Sonda składa się z modułu głównego oraz dwóch orbiterów. Pierwszy z nich – Mercury Planetary Orbiter (MPO) – ma badać planetę. Jest zbudowany na zlecenie ESA i zawiera 11 instrumentów naukowych. Drugi – Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) – ma posłużyć do badania magnetosfery Merkurego. Zbudowany został przez inżynierów z JAXA.
Moduł główny tzw. moduł transferowy – Mercury Transfer Module (MTM), za który odpowiedzialna jest ESA, jest podstawową częścią statku, do którego są przymocowane na czas lotu oba orbitery. Z powodu ograniczeń budżetowych zrezygnowano z lądownika, który mieli zbudować Rosjanie.
Swój udział w misji mają także polscy naukowcy. W prace nad jednym z elementów podsystemu spektrometru podczerwonego MERTIS (MErcury Radiometer and Thermal infrared Imaging Spectrometer), który posłuży do stworzenia mapy mineralogii powierzchni, zaangażowani byli uczeni z Centrum Badań Kosmicznych PAN. Nasi naukowcy pracowali nad systemem wyznaczającym kierunek pomiaru. Od jego ustawienia zależy, na co „patrzy” spektrometr.
Cele misji
Misja ma za zadanie zbadać strukturę, topografię oraz geologię Merkurego. Zbada również dynamikę i skład egzosfery oraz przeanalizuje strukturę i dynamikę pola magnetycznego planety.
Orbitery poszukają także lodu wodnego, o którym donosiła sonda MESSENGER. Ale skąd lód na Merkurym? Tak blisko Słońca? Otóż niewielkie nasilenie osi rotacji Merkurego powoduje, że promienie słoneczne nigdy nie docierają do wnętrza kraterów uderzeniowych, które znajdują się na biegunach planety. Tam też mogą znajdować się pokłady lodu.
W otoczeniu Merkurego panują ekstremalne warunki. Japoński orbiter będzie obracał się wokół własnej osi 15 razy na minutę, aby uniknąć „grillowania”. Z kolei europejska maszyna została owinięta specjalnym wielowarstwowym kocem i ma zamontowany grzejnik w razie zamarznięcia. Wszystko dlatego, że po jednej stronie planety temperatury osiągają około ponad 450 st. Celsjusza, a po drugiej minus 180 st. C. Sondy będą się przemieszczać między tymi rejonami w ciągu kilkudziesięciu minut i wszystkie przyrządy muszą działać.
Oczekuje się, że misja potrwa dwa lata od momentu dotarcia na miejsce. Choć jak w przypadku wielu misji, jej czas trwania może zostać przedłużony w zależności od stanu technicznego sprzętów. Po zakończeniu orbitery zostaną rozbite o powierzchnię planety.
Źródło: ESA, fot. ESA/BepiColombo/MTM