Пролетая мимо Меркурия в июне 2023 года, аппарат BepiColombo столкнулся с различными особенностями магнитного поля крошечной планеты. Эти измерения дают представление о загадках, которые миссия собирается исследовать, когда прибудет на орбиту вокруг самой внутренней планеты Солнечной системы.
Как и Земля, Меркурий имеет магнитное поле, хотя и в сто раз более слабое у поверхности планеты. Тем не менее, это магнитное поле образует в пространстве пузырь, называемый магнитосферой, который служит буфером для непрерывного потока частиц, выдуваемых Солнцем в виде солнечного ветра. Поскольку Меркурий вращается по орбите ближе всех остальных планет к Солнцу, взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой и даже поверхностью планеты намного интенсивнее, чем на Земле. Изучение динамики этого пузыря и свойств содержащихся в нем частиц — одна из главных целей миссии BepiColombo.
Зонд BepiColombo должен прибыть к Меркурию в 2026 году, используя пролеты около Земли, Венеры и самого Меркурия, чтобы скорректировать свою скорость и траекторию для выхода на орбиту вокруг планеты. В настоящее время «сложенный» космический аппарат отделит и развернет два научных орбитальных аппарата — планетарный орбитальный аппарат Меркурия (Mercury Planetary Orbiter или MPO) под управлением ESA и магнитосферный орбитальный аппарат Меркурия (Mercury Magnetospheric Orbiter или MMO) под управлением JAXA — на взаимодополняющие орбиты, что позволит провести необходимые измерения с помощью двух аппаратов, необходимые для составления полной картины динамической среды Меркурия.
Во время пролетов космический аппарат проносится мимо Меркурия, и многие его научные приборы могут получить предварительную информацию о предстоящих захватывающих научных исследованиях. Кроме того, во время пролетов можно получить уникальные сведения о тех регионах планеты, которые недоступны непосредственно с орбиты.
Лина Хадид, бывшая научная сотрудница ESA, ныне работающая в Лаборатории физики плазмы Парижской обсерватории, использовала набор приборов Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE), работающих на MMO во время пролета 19 июня 2023 года, третьего из шести гравитационных пролетов BepiColombo к Меркурию, чтобы за очень короткий промежуток времени составить впечатляющую картину магнитного ландшафта планеты.
«Мы пересекли магнитосферу Меркурия примерно за 30 минут, двигаясь от запада к востоку и находясь на расстоянии 235 км над поверхностью планеты», — рассказывает она. «Мы отобрали образцы типов частиц, их температуры и движения, что позволило нам четко проследить магнитный ландшафт за этот короткий период».
Сочетание измерений BepiColombo с компьютерным моделированием, позволяющим определить происхождение обнаруженных частиц на основе их движения, позволило Лине и ее коллегам нарисовать различные особенности магнитосферы.
Мы увидели ожидаемые структуры, такие как «ударная» граница между свободно распространяющимся солнечным ветром и магнитосферой, а также прошли через «рога», обрамляющие плазменный лист — область более горячего и плотного электрически заряженного газа, который, подобно хвосту, струится в направлении от Солнца. Но были и сюрпризы».
Лина является ведущим соисследователем проекта MPPE и руководителем одного из его приборов — масс-спектрального анализатора. Она работала над статьей, в которой представлены результаты, вместе с бывшим руководителем прибора Домиником Делькуром.
«Мы обнаружили так называемый низкоширотный пограничный слой, определяемый областью турбулентной плазмы на краю магнитосферы, и здесь мы наблюдали частицы с гораздо более широким диапазоном энергий, чем мы когда-либо видели на Меркурии, во многом благодаря чувствительности масс-спектрального анализатора, разработанного специально для сложной среды Меркурия», — говорит он. «BepiColombo сможет определить ионный состав магнитосферы Меркурия более детально, чем когда-либо».
«Мы также наблюдали энергичные горячие ионы вблизи экваториальной плоскости и в низких широтах, запертые в магнитосфере, и мы думаем, что единственный способ объяснить это — кольцевой ток, частичный или полный, но это область, которая вызывает много споров», — добавляет Лина.
Кольцевой ток — это электрический ток, переносимый заряженными частицами, запертыми в магнитосфере. На Земле существует хорошо изученный кольцевой ток, расположенный в десятках тысяч километров от ее поверхности. На Меркурии не совсем понятно, как частицы могут оставаться в ловушке в пределах нескольких сотен километров от планеты, особенно если учесть, что магнитосфера прижата к поверхности планеты. Этот спор, вероятно, будет решен после того, как MPO и MMO начнут собирать данные на постоянной основе.
Моделирование магнитной среды Меркурия. Цвета указывают на плотность заряженных частиц вокруг Меркурия, самая высокая плотность показана желтым цветом, а самая низкая — фиолетовым/черным. Белые линии — это линии магнитного поля. (Почти вертикальные линии, идущие от полюсов планеты, являются числовыми артефактами и должны игнорироваться).
Лина и ее коллеги также наблюдали прямое взаимодействие космического аппарата с окружающей космической плазмой. Когда космический аппарат нагревается Солнцем, он не может обнаружить более холодные, тяжелые ионы, потому что сам аппарат электрически заряжается и отталкивает их. Но когда аппарат проходит через ночную тень планеты, заряд меняется, и внезапно становится видно море холодных ионов плазмы. Например, были обнаружены ионы кислорода, натрия и калия, которые, вероятно, были посланы с поверхности планеты микрометеоритными ударами или в результате взаимодействия с солнечным ветром.
«В этом редком наблюдении за крупномасштабной структурой магнитосферы Меркурия в сумерках мы почувствовали вкус будущих открытий», — говорит Го Мураками, научный сотрудник проекта BepiColombo JAXA.
«Наблюдения подчеркивают необходимость того, чтобы оба орбитальных аппарата и их дополнительные инструменты рассказали нам всю историю и составили полную картину того, как магнитная и плазменная среда меняется со временем и в пространстве», — добавляет Герайнт Джонс, научный сотрудник проекта ESA BepiColombo. «Нам не терпится увидеть, как BepiColombo повлияет на наше более широкое понимание планетарных магнитосфер».
Тем временем ученые уже изучают данные, полученные во время четвертого близкого пролета Меркурия, состоявшегося в прошлом месяце, а диспетчеры готовятся к двум последним пролетам, запланированным на 1 декабря 2024 года и 8 января 2025 года.
