Марсианская миссия Японии: первые образцы с Фобоса

Миссия Японии к Марсу — одна из самых амбициозных в истории космонавтики. Она призвана стать первым космическим аппаратом, который вернётся на Землю с орбиты Марса, доставив первые в истории образцы из системы Красной планеты.

Миссия, известная как Martian Moons eXploration (MMX), — уникальное начинание, цель которого — изучить происхождение марсианских лун Фобоса и Деймоса. Этот масштабный проект включает посадку на Фобос для сбора образцов (которые, вероятно, станут первыми образцами из системы Марса, доставленными на Землю) и поиск свидетельств, способных пролить свет на события, происходившие при формировании Солнечной системы миллиарды лет назад.

Запуск MMX запланирован на ракете H3 с японского космического центра Танэгасима в понедельник, 19 октября, в 15:41 по восточному времени США (19:41 по Гринвичу; 4:41 по местному времени в Японии, 20 октября). После 10-месячного путешествия к Марсу аппарат проведёт около трёх лет, изучая Фобос, развернёт ровер и совершит посадку для сбора образцов. Затем миссия переключит внимание на Деймос для серии пролётов, после чего в ноябре 2030 года отправится к Земле. Если всё пойдёт по плану, капсула с образцами MMX должна приземлиться в Австралии в 2031 году.

Космический аппарат

Космический аппарат MMX состоит из трёх основных модулей, а также небольшого ровера. После отделения от ракеты-носителя H3 двигательный модуль обеспечит импульс для вывода MMX на курс к Марсу. Основной исследовательский модуль несёт ровер IDEFIX размером с микроволновку и большинство научных приборов миссии, а возвращаемый модуль вмещает капсулу с образцами.

Три основных модуля MMX построила японская компания Mitsubishi Electric, а французское космическое агентство CNES (Centre National d'Études Spatiales) и немецкий DLR (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt) совместно разработали IDEFIX. Маленький ровер назван в честь собаки из французского комикса 1960-х годов «Астерикс» — в знак признания первого французского спутника Astérix, запущенного в 1965 году.

IDEFIX оснащён комплектом камер, а также рамановским спектрометром для MMX (RAX) и миниатюрным радиометром (miniRAD) для анализа состава и температуры поверхности Фобоса.

Большинство научных приборов MMX размещено на исследовательском модуле, включая прибор NASA Mars-moon Exploration with Gamma rays and Neutrons (MEGANE, произносится «ме-га-не») — гамма- и нейтронный спектрометр, созданный Лабораторией прикладной физики Джонса Хопкинса (APL), и французский инструмент MIRS (MMX InfraRed Spectrometer).

На исследовательском модуле также находятся японские камера с узким полем зрения TENGOO (TElescopic Nadir imager for GeOmOrphology), широкоугольная мультиспектральная камера OROCHI (Optical RadiOmeter composed of CHromatic Imagers), лазерный альтиметр (LIDAR) и масс-спектрометр (MSA). Возвращаемый модуль, в свою очередь, несёт японские монитор пыли вокруг Марса (CMDM) и монитор межпланетной радиационной обстановки (IREM).

Ход миссии

MMX выйдет на орбиту вокруг Марса в августе 2027 года, после чего сбросит двигательный модуль и перейдёт на квазиспутниковую орбиту (QSO) вокруг Фобоса, что позволит зонду лететь в своего рода формации с этой небольшой луной размером с астероид, пока оба тела обращаются вокруг Красной планеты.

Первые несколько месяцев в марсианской системе аппарат будет наблюдать Фобос с разных высот, используя камеры TENGOO и OROCHI, LIDAR и MSA для картографирования поверхности луны, изучения её состава и выбора потенциальных мест посадки.

IDEFIX будет выпущен в конце 2028 или начале 2029 года во время первой из двух репетиций посадки MMX — примерно в 40 метрах над Фобосом. Из-за крайне низкой гравитации луны диаметром 22 километра ровер сможет свободно упасть на поверхность без повреждений (будем надеяться), выровняться после нескольких отскоков и начать исследование, собирая данные о рельефе и условиях поверхности.

Сбор образцов MMX может начаться уже в декабре 2028 года, сообщила исполняющая обязанности директора отдела планетарных наук NASA Линдси Хейс на брифинге миссии 15 октября. Аппарат предпримет две посадочные попытки для сбора образцов: исследовательский и возвращаемый модули будут спускаться и возвращаться на орбиту как единый аппарат.

На поверхности Фобоса два различных механизма отбора — механизм отбора кернов (C-sampler) и пневматический механизм отбора (P-sampler) — извлекут и соберут не менее 10 граммов (0,35 унции) материала для размещения в возвращаемой капсуле аппарата, прежде чем MMX снова поднимется на орбиту. После первой посадки и сбора образцов MMX вернётся на квазиспутниковую орбиту у Фобоса, а затем спустится ко второму месту посадки для аналогичной попытки и последующего возвращения на орбиту.

MMX завершит наблюдения Фобоса примерно через три года сосредоточенной работы, и в 2030 году перейдёт на более высокую резонансную орбиту вокруг Марса. Этот курс будет неоднократно пересекать траекторию Деймоса для серии пролётов, чтобы собрать и сравнить данные с наблюдениями Фобоса, поскольку учёные стремятся исследовать происхождение обеих лун.

Ближе к концу 2030 года исследовательский модуль отделится, оставив возвращаемый модуль, который включит двигатель, чтобы покинуть гравитационное поле Марса и начать восьмимесячное путешествие к Земле с собранными образцами. Когда MMX преодолеет последний участок пути к Земле в 2031 году, капсула с образцами отделится и войдёт в атмосферу для целевой посадки на парашюте в районе Вумера в Австралии, где её содержимое будет извлечено для лабораторного анализа Японией и её партнёрами по миссии.

Фобос и Деймос

Эти образцы и данные, собранные MMX, могут многое рассказать учёным — о составе лун, их географии и, что, возможно, важнее всего, о том, как они вообще возникли. Существуют две ведущие теории происхождения Фобоса и Деймоса, и обе указывают на совершенно разные версии древней марсианской истории.

«Фобос и Деймос интересны не только сами по себе. Их присутствие — ключевой элемент более масштабной истории системы Марса, — сказал Том Стэтлер, исполнительный директор программы MMX и учёный отдела планетарных наук NASA, на брифинге миссии 15 октября. — Раскрыв происхождение лун, мы получим новые представления об истории как Марса, так и Земли, особенно о тех событиях, которые сформировали обе планеты миллиарды лет назад и помогли создать мир, который мы видим сегодня».

Фобос и Деймос относительно малы и имеют неправильную форму, а также обнаруживают ряд сходств и спектральных характеристик с примитивными астероидами D-типа — древними телами, которые, как считается, сохранили материал со времён формирования Солнечной системы около 4,6 миллиарда лет назад. Эти сходства позволяют предположить, что Фобос и Деймос могли сформироваться в другом месте Солнечной системы и позже быть захвачены гравитацией Марса.

Однако их почти круговые, выровненные по экватору орбиты вокруг Красной планеты несколько усложняют эту теорию. Например, захваченный астероид гораздо вероятнее вышел бы на вытянутую и наклонную орбиту, соответствующую направлению и скорости его первоначального сближения, говорят учёные. Поэтому конкурирующая гипотеза предлагает гораздо более насильственный, но отчасти знакомый сценарий происхождения лун.

Огромное столкновение с древним Марсом могло выбросить материал на орбиту, образовав диск обломков, из которого в итоге слились обе луны. Такой процесс, аналогичный формированию Луны Земли, мог бы объяснить их круговые экваториальные орбиты.

Противоречивые геологические и орбитальные наблюдения Фобоса и Деймоса, собранные на сегодняшний день, не позволяют учёным окончательно отдать предпочтение одной гипотезе. MMX призвана дать ответ.

«Это две совершенно разные линии доказательств, указывающие в двух разных направлениях. Именно это делает загадку интересной, — сказал Стэтлер. — Существуют также различные теории гибридных сценариев, объединяющих обе версии», — добавил он.

«Есть всевозможные разные пути, всевозможные комбинации этих двух базовых сценариев, — объяснил Стэтлер. — Но в этом и заключается загадка с самого начала: две, казалось бы, противоречивые линии доказательств, которые указывают нам на то, какой… была реальная история, но мы пока не знаем, какой именно».

Наука

Каждая теория происхождения марсианских лун предсказывает разные химические характеристики их поверхностей. Предположительно, захваченные астероиды сохранили бы химические сигнатуры материала, происходящего из другого места Солнечной системы, потенциально богатого летучими элементами, такими как водород. Луны же, сформировавшиеся в результате планетарного столкновения, содержали бы смесь марсианского и ударного материала, изменённого интенсивным теплом такого насильственного столкновения.

Определение того, какой сценарий более вероятен, могло бы показать, пережил ли Марс масштабное столкновение, породившее луны, или же приобрёл свои луны в другом месте ранней Солнечной системы. Любой ответ может дать новые представления об эволюции планеты и событиях, сформировавших планеты земной группы, такие как Земля, миллиарды лет назад, говорят члены научной команды миссии.

«На данный момент мы ничего не знаем о составе Фобоса, — сказал Дэвид Лоуренс, главный исследователь MEGANE в APL, на брифинге 15 октября. — У нас есть информация о минералогии, но нет данных об элементном составе. И поэтому элементы — действительно ключевой способ подойти к некоторым из этих фундаментальных вопросов».

Научный комплекс MMX тщательно откалиброван для таких определений. Камеры и датчики приборов TENGOO, OROCHI и LIDAR исследовательского модуля MMX будут картографировать рельеф Фобоса, геологические особенности и вариации поверхностных материалов с орбиты, чтобы дать подсказки о формировании и эволюции луны. Дополняя эти измерения, MIRS предназначен для обнаружения и классификации поверхностных минералов Фобоса и поиска органических соединений, чтобы дополнительно различить его возможное происхождение как астероида или древнего фрагмента Марса.

Спектрометр RAX и прибор miniRAD на борту IDEFIX добавят локальный контекст к этим наблюдениям, исследуя поверхностную минералогию и её тепловые свойства вблизи.

На орбите прибор NASA MEGANE будет измерять элементный состав Фобоса с помощью гамма- и нейтронной спектроскопии, которая может сканировать десятки сантиметров под поверхностью луны в поисках признаков летучих элементов. Более высокое содержание водорода, хлора, натрия и калия, например, благоприятствовало бы гипотезе захвата астероида, тогда как более низкое содержание этих соединений могло бы указывать на heat and chemical deterioration, связанные с планетарным ударом.

«По-японски „megane" означает очки, — сказал Лоуренс. — Поэтому нам нравится думать о MEGANE как об инструменте, который будет смотреть на Фобос сквозь гамма-лучевые и нейтронные очки».

При сравнении с образцами, которые MMX вернёт на Землю, findings MEGANE могут помочь учёным определить, отражает ли истощение летучих элементов на Фобосе интенсивный жар пост-ударного формирования или миллиарды лет последующей эрозии от естественных эффектов космического воздействия.

MSA, тем временем, будет измерять заряженные частицы вокруг Фобоса, искать свидетельства подповерхностного льда и исследовать, как воздействие солнечного ветра изменило поверхность луны. Он также будет изучать атмосферные частицы, улетающие с Марса. CMDM будет измерять пыль вокруг Марса, включая частицы, потенциально выброшенные с его лун ударами.

Сравнительные наблюдения Деймоса после окончательного отбытия MMX от Фобоса помогут установить, имеют ли луны схожий состав и, потенциально, общее происхождение.

После безопасного возвращения на Землю лабораторный анализ образцов Фобоса позволит учёным исследовать химический состав и минералогию с точностью, превышающей возможности бортовых приборов MMX. Такие тесты, как изотопный анализ — измерение тонких различий в атомном составе элементов — могут помочь определить происхождение образцов путём сравнения их химических «отпечатков пальцев» с таковыми марсианских пород и астероидного материала.

Учёные JAXA (Японского агентства аэрокосмических исследований) считают, что часть возвращённого материала может даже происходить с самого Марса, будучи отложенной на Фобосе после древних астероидных ударов, выбивших породы с поверхности Красной планеты, и потенциально хранить свидетельства её геологического прошлого.

Международное сотрудничество

Миссия под руководством JAXA представляет собой межведомственное партнёрство с NASA и Европейским космическим агентством (ESA), которые обеспечивают аппаратную и коммуникационную поддержку через сети Deep Space и Estrack.

Вклад NASA в MMX также включает MEGANE, P-sampler производства Honeybee Robotics и инвестиции около 87 миллионов долларов до конца миссии. NASA финансирует американских учёных в команде MMX, которые вместе с экспертами NASA по астроматериалам «будут полностью вовлечены в изучение и научный анализ образцов Фобоса, когда они будут доставлены на Землю», сказала Хейс на брифинге миссии. «Мы получаем всю ценность и всё научное участие при более низких общих затратах [по сравнению с финансированием всей миссии]».

За свою роль NASA получит не менее 15% возвращённых образцов, а материалы будут храниться в Космическом центре Джонсона в Хьюстоне для анализа и долгосрочного сохранения. Таким образом, научное влияние MMX может выйти далеко за пределы завершения миссии.

«Образцы Фобоса станут историческими, — сказал Стэтлер, — с потенциалом для будущих исследований ответить на вопросы, которые мы пока даже не знаем, как задать».

Источники: JAXA, NASA, ESA, CNES, DLR, Johns Hopkins APL, Honeybee Robotics.