По сравнению с Марсом и Венерой, Меркурий кажется довольно скучным миром. Начнем с того, что это самая маленькая планета Солнечной системы. Из-за ее близости к Солнцу никто никогда не надеялся найти там братьев по разуму или хотя бы какую-то самую примитивную жизнь. К тому же, до Меркурия не так-то и просто добраться. Полет к нему во многом сложнее, чем экспедиция к Плутону.
Но, как известно, внешность бывает обманчива. Пускай первая планета и не пользуется такой же популярностью, как ее соседи по Солнечной системе, это весьма любопытный мир, который все еще хранит множество секретов. Сегодня расскажем, как человечество изучало Меркурий, и почему он заслуживает более пристального внимания.
Неуловимая планета
Из всех видимых невооруженным глазом планет Солнечной системы Меркурий, пожалуй, наиболее сложен для наблюдений, особенно в умеренных широтах. Дело в том, что планету можно увидеть в сравнительно короткий промежуток времени сразу после захода или перед восходом Солнца, причем довольно низко над горизонтом. В этой связи существует даже популярная астрономическая легенда, будто бы на склоне лет великий Николай Коперник как-то посетовал, что за свою жизнь так ни разу и не увидел неуловимую планету.
Еще один довольно интересный факт заключается в том, что в датированном V веком индийском астрономическом трактате «Сурья-сиддханта» приводится оценка радиуса Меркурия в 2420 км, что отличается от истинного значения всего на 1%. Но есть важный момент. Эта оценка базировалась на в корне ошибочных представлениях об угловом размере планеты на небе. То, что авторы трактата оказались настолько близки к реальной цифре, это, скорее, пример удивительного совпадения, нежели какого-то утерянного знания древних.
Изобретение телескопа помогло увеличить багаж знаний про Меркурий — правда, не очень значительно. В 1631 году Пьер Гассенди впервые наблюдал прохождение этой планеты по диску Солнца. Его поразило, насколько маленькой она оказалась. Вскоре астрономы открыли изменения фаз Меркурия, окончательно доказав, что он вращается вокруг Солнца.
По мере создания более мощных телескопов астрономы предпринимали первые попытки картографировать поверхность Меркурия. Разумеется, они не были особо успешными. Уже в наше время выяснилось, что все карты докосмической эры имели весьма мало общего с действительностью.
В 1859 году знаменитый астроном Урбен Леверье (именно он 13 годами ранее сделал расчеты, позволившие открыть Нептун) объявил об обнаружении аномального смещения перигелия орбиты Меркурия, которое было невозможно объяснить в рамках классической ньютоновской механики. Сам он считал, что все это из-за еще одной, не открытой планеты между Солнцем и Меркурием. Этот гипотетический объект получил название Вулкан. Леверье даже произвел расчеты его орбиты. Но, несмотря на многочисленные попытки, астрономам так и не удалось найти новую планету. Загадка смещения орбиты Меркурия была раскрыта лишь после публикации в 1915 году Общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что все дело в релятивистских эффектах, связанных с близостью планеты к Солнцу.
До начала космической эры большинство ученых полагали, что Меркурий постоянно обращен к Солнцу одной и той же стороной, ведь во время наблюдений в телескопы астрономы всегда видели одинаковые светлые и темные пятна на его поверхности. Фантасты быстро подхватили эту идею и начали рисовать захватывающие воображение картины мира, на одной стороне которого текут реки из расплавленного свинца, а на другой царят мрак и лютая стужа.
Однако в 1965 году грянула сенсация. Проведенные радиотелескопом «Аресибо» измерения показали, что планета все же вращается вокруг своей оси с периодом в 58 дней, в то время как ее период обращения вокруг Солнца составляет 88 дней. Таким образом, эти показатели находятся в резонансе 2:3.
Почему же астрономы так сильно ошибались? Наблюдения Меркурия обычно проводились, когда он был в нижнем соединении с Землей — то есть, когда планеты пребывали на кратчайшем расстоянии друг от друга. Но дело в том, что по довольно интересному совпадению, синодический период Меркурия (промежуток времени между двумя последовательными соединениями) составляет 116 дней. То есть, за время между двумя нижними соединениями Меркурий успевает сделать ровно два оборота вокруг своей оси и вновь оказывается повернут к Земле той же самой стороной. Наблюдая всегда одну и ту же картину в свои телескопы, астрономы закономерно пришли к выводу, что планета находится в приливном захвате по отношению к Солнцу.
Трудности путешествия к Меркурию
Один из малоизвестных моментов о Меркурии заключается в том, что фактически именно он, а не Венера, является ближайшей к нам планетой. Да, если брать минимально возможное расстояние между орбитами, то Венера, конечно, ближе. Но если считать уже среднюю дистанцию между планетами, то на протяжении большей части года именно Меркурий будет ближайшей к Земле планетой.
Тем удивительнее, что Меркурий является одной из самых труднодоступных планет. И причина этому — Солнце. Проблема даже не в его мощном излучении, требующем установки на зонд защитного экрана. Все дело в гравитации. Из-за близости этой планеты к Солнцу его гравитация оказывает очень сильное влияние на любой запущенный к Меркурию космический аппарат. Чтобы выйти на орбиту вокруг планеты, эту скорость необходимо погасить, что требует внушительных топливных затрат.
К сожалению, возможности современной ракетной техники не позволяют напрямую отправить автоматическую станцию с достаточным количеством топлива для выполнения подобного тормозного маневра. Даже запуск пролетной миссии к Меркурию сопряжен с необходимостью выполнения весьма затратных коррекций курса. Кроме того, забегая немного вперед, у Меркурия нет атмосферы, что исключает возможность использования техники аэроторможения для погашения скорости.
Это одна из основных причин, почему первая планета от Солнца никогда не была в центре фокуса космических исследований. Тот же СССР, например, никогда всерьез не рассматривал возможность отправки к ней каких-либо миссий.
Что касается США, там ситуация была несколько иной. В первые годы космической эры некоторые американские ученые рассматривали возможность отправить к Меркурию аппарат, который стал бы его искусственным спутником. Для запуска планировалось использовать сверхтяжелую ракету Saturn V. Но резкое сокращение бюджета NASA похоронило эту идею.
К счастью, инженеры сумели придумать вариант намного дешевле — в виде запуска пролетной станции, которая должна была воспользоваться гравитацией Венеры, чтобы добраться к своей цели. Эта миссия получила обозначение Mariner 10. Таким образом NASA убивало сразу двух зайцев. С одной стороны, организация стирала одно из белых пятен с карты Солнечной системы. С другой — отрабатывала на практике применение техники гравитационного маневра, которая должна была пригодиться при организации более сложных и важных в научном плане миссий к планетам-гигантам.
Луна снаружи, Земля внутри
Mariner 10 был запущен в ноябре 1973 года. Спустя три месяца он совершил пролет Венеры. Ученые воспользовались этой возможностью, чтобы сделать серию весьма эффектных снимков ее атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне.
Гравитация Венеры позволила изменить траекторию Mariner 10 таким образом, чтобы он начал совершать периодические пролеты Меркурия. Первое рандеву состоялось в марте 1974 года. В дальнейшем Mariner 10 успел выполнить еще два пролета Меркурия, прежде чем связь с ним была навсегда утеряна.
Переданные Mariner 10 снимки продемонстрировали пейзажи, весьма напоминающие лунные. Оказалось, что поверхность Меркурия покрыта большим количеством древних кратеров. Другое сходство между планетой и Луной заключается в практически полном отсутствии атмосферы. Газовая оболочка Меркурия крайне тонкая и состоит из частиц, захваченных из солнечного ветра или выбитых солнечным ветром с поверхности. Она настолько разрежена, что ее атомы чаще сталкиваются с планетой, чем друг с другом.
Впрочем, достаточно быстро стало понятно, что первое впечатление оказалось обманчивым. Хоть внешне Меркурий и похож на Луну, в плане внутреннего строения он обладает рядом общих черт с Землей. Например, ученые с удивлением обнаружили, что у планеты есть собственное магнитное поле, при том, что у имеющих намного большие размеры Венеры и Марса глобальное магнитное поле отсутствует.
Данные Mariner 10 значительно подняли научный интерес к Меркурию — особенно к его внутреннему строению. Ученые стремились получить ответы на вопросы, что представляет собой ядро планеты, и каким образом оно способно поддерживать существование постоянного магнитного поля. К сожалению, в то время у NASA были другие приоритеты. Так что Mariner 10 так и остался единственной в XX веке миссией, посетившей первую планету.
Поэтому астрономам приходилось ограничиваться дистанционными наблюдениями Меркурия. Выполненные в 1990-е годы исследования на радиотелескопе «Аресибо» принесли любопытное открытие. В полярных областях планеты были обнаружены необычные яркие регионы. Характеристики отразившегося от них сигнала удивительно напоминали те, что наблюдаются у ледяных спутников планет-гигантов.
Изначально большинство ученых крайне скептически отнеслись к вероятности наличия льда на Меркурии. Однако после подтверждения существования ледяных залежей на дне пребывающих в вечной тени полярных лунных кратеров эта концепция постепенно начала набирать популярность.
В 2004 году NASA, наконец, запустило вторую в истории миссию к Меркурию, получившую название MESSENGER. Ее основными целями было полное картографирование поверхности планеты, изучение ее магнитного поля, внутреннего строения и поиск ответов на вопросы о природе загадочных областей на полюсах.
Для достижения этих целей космическому аппарату требовалось выйти на постоянную орбиту вокруг Меркурия, что, как мы уже отмечали, было нетривиальной задачей. Ее решением стала весьма сложная траектория, включавшая семь лет полета и шесть гравитационных маневров для погашения скорости (один у Земли, два у Венеры и три у самого Меркурия).
К счастью, расчеты инженеров NASA оказались верны, и в марте 2011 года MESSENGER стал первым в истории искусственным спутником Меркурия. Любопытно, что на пути к планете зонд в общей сложности пролетел 7,9 млрд км. Это почти на 2 млрд км больше, чем расстояние между Землей и Плутоном.
MESSENGER проработал на орбите вокруг Меркурия четыре года. Собранные миссией данные позволили пролить свет на подробности его внутреннего строения. Оказалось, что Меркурий обладает ядром с радиусом порядка 2020 км (при радиусе самой планеты в 2440 км). Это означает, что ядро составляет 57% от его внутреннего объема. Для сравнения, у Земли этот показатель равен 17%.
На данный момент существуют две основные гипотезы природы аномально большого ядра Меркурия. Согласно более популярной версии, первоначально он представлял собой типичную каменную планету. Однако после столкновения с неким крупным объектом Меркурий лишился большей части своей коры и мантии, которые унесло в космос. Альтернативное объяснение заключается в том, что планета сформировалась в уже крайне обедненной легкими элементами внутренней части протопланетного диска.
MESSENGER составил и полную карту поверхности планеты. Оказалось, что помимо кратеров, она покрыта многочисленными уступами, тянущимися на сотни километров по поверхности. Они возникли из-за того, что планета в буквальном смысле сжимается. Причина кроется в постепенном остывании ее недр. Из-за этого кора Меркурия растрескивается, и ее края наползают друг на друга. За последние 4 млрд лет общая площадь поверхности Меркурия уменьшилась на 1%, что сравнимо с площадью Турции. Процесс сжатия продолжается по сей день.
Другое интересное открытие оказалось связано со строением ядра. Раньше планетологи считали, что оно твердое. Но анализ новых данных заставил их пересмотреть эту концепцию в пользу расплавленного ядра. Как такая маленькая планета умудряется сохранять жидкое ядро, остается предметом научных дискуссий.
MESSENGER сумел произвести и точные измерения температуры поверхности Меркурия. Днем она нагревается до +427 °C, ночью остывает до −173 °C. Таким образом, хотя Меркурий и не самая горячая планета Солнечной системы (этот титул принадлежит Венере), он является планетой с наибольшими температурными перепадами.
Зонд также установил природу загадочных областей на полюсах планеты. Вопреки всем сомнениям скептиков выяснилось, что Меркурий действительно обладает крупными залежами водяного льда на дне полярных кратеров, которые никогда не освещаются Солнцем.
Миссия MESSENGER завершилась в 2015 году. После того как аппарат исчерпал запасы топлива, под действием солнечного ветра он сошел с орбиты, став первым созданным руками человека объектом, достигшим поверхности этой планеты.
Будущие миссии к Меркурию
Аппарат MESSENGER постарался на славу, собрав множество данных о Меркурии. Но все же ему не удалось раскрыть все загадки первой планеты. К счастью для ученых, вскоре у них появится новый шанс получить ответы на интересующие их вопросы.
В 2018 году Европейское космическое агентство (ESA) запустило первую в своей истории миссию к Меркурию под названием BepiColombo. Станция состоит из трех основных частей: перелетного модуля и двух зондов, один из которых построен непосредственно самим ESA, а второй — Японским аэрокосмическим агентством.
Как и MESSENGER, чтобы выйти на постоянную орбиту вокруг планеты, BepiColombo предстоит длительное путешествие, включающее сразу девять гравитационных маневров — у Земли, Венеры и самого Меркурия. На данный момент аппарат преодолел чуть больше половины пути. Если все пройдет, как запланировано, в декабре 2025 года он достигнет своей цели.
После выхода на орбиту вокруг планеты европейский и японский зонды отделятся от перелетного модуля и приступят к выполнению своих задач. Научная программа миссии включает в себя интенсивное изучение геологии Меркурия, его магнитного поля, картографирование залежей водяного льда, а также измерения с целью дополнительной проверки положений ОТО. Ученые надеются, что данные BepiColombo позволят найти окончательный ответ на вопрос о внутреннем строении Меркурия и природе его ядра. Также их интересует, продолжается ли на планете тектоническая активность. Кроме того, Меркурий является ближайшим доступным нам аналогом ряда экзопланет, чьи орбиты проходят на небольшом расстоянии от своих звезд. Результаты наблюдений MESSENGER помогут ученым в лучшем понимании природы таких миров.
Сейчас у космических агентств нет формальных планов по отправке к Меркурию новых аппаратов. Скорее всего, пройдет много лет, прежде чем первую планету посетит следующая после BepiColombo миссия. Но в более далекой перспективе, когда человечество приступит к полноценному освоению Солнечной системы, Меркурий может начать играть весьма важную роль. Наличие залежей водяного льда на полюсах упрощает задачу создания на нем постоянных поселений. Не стоит забывать и о том, что у планеты есть магнитное поле, которое задерживает существенную часть солнечного ветра и космических лучей, значительно снижая уровень радиации на поверхности.
Но зачем человечеству в принципе осваивать Меркурий? Ответ на этот вопрос — энергетика. Меркурий получает намного больше энергии от Солнца, чем Земля. Ее можно было бы собирать с помощью солнечных электростанций и затем экспортировать на иные планеты. Другой вариант — использование этой энергии для разгона оснащенных солнечным парусом космических кораблей.
Еще один важный ресурс Меркурия — гелий-3, который сейчас называется многими учеными своеобразной Меккой термоядерной энергетики будущего. Как правило, этот элемент упоминается в контексте проектов его коммерческой добычи на Луне. Однако содержание гелия-3 на поверхности Меркурия намного выше, чем на спутнике нашей планеты, что делает его весьма привлекательной целью для промышленной разработки. Так что, хотя сейчас Меркурий и остается «в тени» космических исследований, все это может измениться в пускай и не очень близком, но в то же время не таком уж и далеком будущем.
