Пролітаючи повз Меркурій у червні 2023 року, космічний апарат BepiColombo виявив різні особливості магнітного поля крихітної планети. Ці вимірювання дають змогу зрозуміти, які таємниці належить дослідити апарату, коли він вийде на орбіту навколо найвнутрішнішої планети Сонячної системи.
Як і Земля, Меркурій має магнітне поле, хоча і в сто разів слабше біля поверхні планети. Проте це магнітне поле утворює в просторі міхур, званий магнітосферою, який служить буфером для безперервного потоку частинок, які видуває Сонце у вигляді сонячного вітру. Оскільки Меркурій обертається по орбіті ближче до Сонця, ніж будь-яка інша планета, взаємодія сонячного вітру з магнітосферою і навіть поверхнею планети відбувається набагато інтенсивніше, ніж на Землі. Вивчення динаміки цієї бульбашки і властивостей частинок, що містяться в ній, — одна з головних цілей місії BepiColombo.
Зонд BepiColombo має прибути до Меркурія 2026 року, використовуючи прольоти біля Землі, Венери і самого Меркурія, щоб скорегувати свою швидкість і траєкторію для виходу на орбіту навколо планети. Тепер «складений» космічний апарат відокремить і виведе на додаткові орбіти два наукові орбітальні апарати — планетарний орбітальний апарат Меркурія (Mercury Planetary Orbiter або MPO) під керівництвом ЄКА і магнітосферний орбітальний апарат Меркурія (Mercury Magnetospheric Orbiter або MMO) під керівництвом JAXA, що дасть змогу провести необхідні виміри за допомогою двох приладів, необхідних для створення повної картини динамічного середовища Меркурія.
Під час прольотів космічний апарат проходитиме повз Меркурій, і багато його наукових приладів зможуть отримати попередню інформацію про майбутні захопливі наукові дослідження. Крім того, під час прольотів можна отримати унікальні відомості про регіони планети, недоступні безпосередньо з орбіти.
Ліна Хадід, колишня наукова співробітниця ЄКА, яка нині працює в лабораторії фізики плазми Паризької обсерваторії, використовувала набір інструментів Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE), що працюють на MMO, під час прольоту 19 червня 2023 року, третього з шести гравітаційних прольотів BepiColombo до Меркурія, щоб за дуже короткий проміжок часу створити вражаючу картину магнітного ландшафту планети.
«Ми перетнули магнітосферу Меркурія приблизно за 30 хвилин, рухаючись із заходу на схід і перебуваючи на висоті 235 км над поверхнею планети», — каже вона. «Ми відібрали зразки типів частинок, їхньої температури та руху, що дало нам змогу чітко простежити магнітний ландшафт за цей короткий період».
Поєднання вимірювань BepiColombo з комп'ютерним моделюванням, що дає змогу визначити походження виявлених частинок на основі їхнього руху, дало змогу Ліні та її колегам намалювати різні особливості магнітосфери.
Ми побачили очікувані структури, як-от «ударна» межа між сонячним вітром, що вільно поширюється, і магнітосферою, а також пройшли через «роги», що обрамляють плазмовий лист — область гарячішого і щільнішого електрично зарядженого газу, який, подібно до хвоста, струмує в напрямку від Сонця. Але були і сюрпризи».
Ліна є провідним співдослідником проєкту MPPE і керівником одного з його приладів — мас-спектрального аналізатора. Вона працювала над статтею, в якій представлені результати, разом із колишнім керівником приладу Домініком Делькуром.
«Ми виявили так званий низькоширотний прикордонний шар, який визначається областю турбулентної плазми на краю магнітосфери, і тут ми спостерігали частинки з набагато ширшим діапазоном енергій, ніж ми коли-небудь бачили на Меркурії, багато в чому завдяки чутливості мас-спектрального аналізатора, розробленого спеціально для складного середовища Меркурія», — говорить він. «BepiColombo зможе визначити іонний склад магнітосфери Меркурія більш детально, ніж будь-коли».
«Ми також спостерігали енергійні гарячі іони поблизу екваторіальної площини і в низьких широтах, замкнені в магнітосфері, і ми думаємо, що єдиний спосіб пояснити це — кільцевий струм, частковий або повний, але це область, яка викликає багато суперечок», — додає Ліна.
Кільцевий струм — це електричний струм, що переноситься зарядженими частинками, замкненими в магнітосфері. На Землі існує добре вивчений кільцевий струм, розташований у десятках тисяч кілометрів від її поверхні. На Меркурії не зовсім зрозуміло, як частинки можуть залишатися в пастці в межах кількох сотень кілометрів від планети, особливо якщо врахувати, що магнітосфера притиснута до поверхні планети. Цю суперечку, ймовірно, буде вирішено після того, як MPO і MMO почнуть збирати дані на постійній основі.
Моделювання магнітного середовища Меркурія. Кольори вказують на щільність заряджених частинок навколо Меркурія, найвища щільність показана жовтим кольором, а найнижча — фіолетовим/чорним. Білі лінії — це лінії магнітного поля. (Майже вертикальні лінії, що йдуть від полюсів планети, є числовими артефактами і мають ігноруватися).
Ліна та її колеги також спостерігали пряму взаємодію космічного апарату з навколишньою космічною плазмою. Коли космічний апарат нагрівається Сонцем, він не може виявити холодніші, важчі іони, тому що сам апарат електрично заряджається і відштовхує їх. Але коли апарат проходить через нічну тінь планети, заряд змінюється, і раптово стає видно море холодних іонів плазми. Наприклад, були виявлені іони кисню, натрію і калію, які, ймовірно, були надіслані з поверхні планети мікрометеоритними ударами або в результаті взаємодії з сонячним вітром.
«У цьому рідкісному спостереженні за великомасштабною структурою магнітосфери Меркурія в сутінках ми відчули смак майбутніх відкриттів», — каже Го Муракамі, науковий співробітник проекту BepiColombo JAXA.
«Спостереження наголошують на необхідності того, щоб обидва орбітальних апарати та їхні додаткові інструменти розповіли нам усю історію і склали повну картину того, як магнітне і плазмове середовище змінюється з часом і в просторі», — додає Герайнт Джонс, науковий співробітник проєкту ESA BepiColombo. «Нам не терпиться побачити, як BepiColombo вплине на наше ширше розуміння планетарних магнітосфер».
Тим часом учені вже вивчають дані, отримані під час четвертого близького прольоту Меркурія, що відбувся минулого місяця, а диспетчери готуються до двох останніх прольотів, запланованих на 1 грудня 2024 року і 8 січня 2025 року.
