Агентство NASA отправило космический аппарат «Психея» к астероиду с таким же названием. Астероид Психея представляет собой нечто большее, чем просто космическое тело – вероятно, это сохранившееся ядро планеты, которая так и не сформировалась. Эта миссия предоставит человечеству уникальную возможность непосредственно изучить планетарное ядро и углубить знания о формировании Земли и других планет Солнечной системы.
Сегодня, 13 октября 2023 года, был запущен зонд «Психея», который направился в главный астероидный пояс, к малоизученному объекту, также названному Психея. Попытка вывести аппарат на орбиту вокруг этого тела сопряжена с риском, однако она оправдывает его. В рамках этой миссии ученые получат возможность изучить не только далекое прошлое Земли, но и ее внутреннюю структуру – почти в прямом смысле.
Рожденные из пыли
Формирование планет представляет собой одно из самых таинственных событий в истории Солнечной системы. Вокруг этого процесса существует гораздо больше вопросов и гипотез, чем достоверных данных. Это вполне объяснимо, поскольку наблюдать его непосредственно не мог никто. К примеру, сколько времени потребовалось для создания Земли? Различные оценки варьируются от нескольких миллионов до сотен миллионов лет.
Основную роль в формировании планет играла гравитация. Под действием притяжения вещество скапливалось, образуя небольшие тела. Эти тела сталкивались, и в результате либо объединялись, либо распадались, что зависело от их скорости.
Образовавшиеся таким образом «зародыши планет» получили название планетезимали. Специалисты не пришли к единому мнению относительно того, какие размеры должны иметь объекты, носящие такое название. Некоторые называют так скоплениями диаметром в километр или два, другие – образованиями, близкими к полноценным планетам и сравнимыми по размеру с Луной, а третьи допускают широкий диапазон размеров для объектов, обозначаемых этим термином.
Отдельные планетезимали оказались способны увеличиться до размеров, превышающих сотни километров в поперечнике. Обладая значительной массой, эти объекты подверглись гравитационной дифференциации – формированию слоистой структуры недр. Под воздействием силы тяжести более плотные элементы, например, металлы, перемещались вглубь, вытесняя наверх менее тяжелые вещества.
По этой причине средняя плотность Земли, составляющая 5,5 грамма на кубический сантиметр, значительно превышает плотность горных пород земной коры, которые доступны для непосредственного наблюдения. Плотность мантии больше, чем плотность коры, а плотность ядра – выше, чем плотность мантии. Предполагается, что ядро Земли преимущественно состоит из железа и никеля, что и обуславливает формирование магнитного поля. Тем не менее, ученые делают выводы на основе косвенных данных. Даже земную кору, не говоря уже о мантии, до сих пор не удалось пробурить насквозь.
В космосе можно обнаружить то, что недоступно на Земле. Спектральные характеристики, плотность и отражательная способность указывают на то, что некоторые астероиды, известные как астероиды типа М, содержат большое количество металлов. Также исследователи нередко находят метеориты, которые по праву называют «железными». Возможно, «М-астероиды» являются ядрами планетезималей, уничтоженных в результате сильных столкновений. А железные метеориты — фрагменты этих ядер?
Предложенная гипотеза представляется привлекательной, однако пока не имеет подтверждения. Астероиды настолько малы, что даже в самые мощные телескопы видны лишь как нечеткие пятна, лишенные видимых деталей. Ни один космический аппарат до сих пор не исследовал астероиды типа М. Миссия к «Психее» станет первой подобной экспедицией.
Астероид Психея, впервые обнаруженный в 1852 году, сразу же привлек внимание астрономов своей необычайной яркостью. Согласно современным исследованиям, его состав на 30–60% состоит из металла, а плотность варьируется от 3,4 до 4,1 грамма на кубический сантиметр. Это наводит на мысль о том, что он мог представлять собой формирующееся ядро протопланеты.
Глаза «Психеи»
Аппарат «Психея» не предполагает посадки и сбора проб. Его задача – дистанционное изучение астероида с орбиты, что само по себе представляет собой сложную задачу. Подробнее об этом будет рассказано далее.
На борту аппарата три научных прибора.
Первым этапом станет использование сдвоенной мультиспектральной камеры. Она будет вести съемку астероида как в видимом свете, так и в инфракрасном диапазоне. Полученные изображения позволят установить особенности рельефа Психеи и определить состав ее поверхности.
Второй инструмент — нейтронный и гамма-спектрометр. Ядерные реакции, возникающие в веществе Психеи под воздействием космических лучей, приводят к образованию нейтронов и гамма-лучей. Анализируя эти излучения, исследователи смогут установить химический состав грунта и определить соотношение входящих в него элементов.
Третьим инструментом является магнитометр. Астероиды слишком малы и не способны обладать собственным магнитным полем. Иное дело протопланета, ядром которой могла быть Психея. Если металл сохранил остаточную намагниченность, это станет убедительным доказательством «ядерного» прошлого небесного тела.
Психея» также может служить инструментом для исследования гравитационного поля астероида. Специалисты будут точно определять ее траекторию с помощью радиосигнала. Это позволит создать карту гравитационного поля и, как следствие, определить распределение массы по данному небесному объекту.
Программа тура
Психея» оснащена четырьмя двигателями. Каждый из них создает тягу в 0,24 ньютона – сила, сопоставимая с давлением батарейки на ладонь. Движение зонда будет обеспечиваться, главным образом, за счет гравитации Солнца. Двигатели необходимы для внесения корректировок в траекторию, трансформируя ее из замкнутой орбиты в спираль. Это общепринятая стратегия для межпланетных путешествий, учитывая значительные расстояния в Солнечной системе и ограниченность ресурсов для дозаправки.
Для функционирования двигателя «Психея» потребуется 1085 килограммов ксенона. Электрическое поле будет ускорять атомы ксенона и направлять их через сопло, формируя реактивную струю. Электрические двигатели данного типа используются в космических аппаратах на протяжении нескольких десятилетий. Они значительно эффективнее химических двигателей, хотя и обладают меньшей мощностью.
В мае 2026 года аппарат приблизится к Марсу и получит гравитационное ускорение от его притяжения. «Психея» пролетит на расстоянии от 3000 до 4400 километров над марсианской поверхностью. Это расстояние сопоставимо с радиусом планеты: оно достаточно велико, чтобы избежать столкновения, и достаточно мало для получения гравитационного разгона.
Этот маневр позволит аппарату скорректировать свою траекторию и достичь астероида Психея в августе 2029 года. К моменту прибытия он окажется в 2,7 раза дальше от Солнца, чем Земля. После достижения астероида «Психея» аппарат выйдет на орбиту вокруг него и приступит к его исследованию.
Это – завершающая точка маршрута. Спускаться на Землю или направляться к другим астероидам зонд не будет. Предполагается, что миссия «Психея» продлится как минимум до ноября 2032 года. За это время астероид сделает чуть меньше половины оборота вокруг Солнца. Орбита Психеи значительно отличается от круговой. Поэтому к моменту завершения работы небесное тело окажется в 3,1 раза дальше от Солнца, чем наша планета.
В течение этого периода зонд совершит изменение нескольких орбит вокруг астероида. Наивысшая из них расположена на высоте 709 километров над поверхностью, а самая нижняя – на расстоянии 75 километров.
Астрономам может сопутствовать удача, и устройство продолжит функционировать после ноября 2032 года. Вероятно, миссию будут продлевать до тех пор, пока на его борту остается хотя бы один рабочий научный прибор, а двигатели способны удерживать орбиту вокруг астероида.
Рискованный замысел
Несмотря на это, достижение данной орбиты представляет собой непростую задачу. Психея недостаточно массивна, чтобы собственная гравитация сформировала ее в сферическую форму. Ее вытянутая форма больше похожа на яйцо или картофелину. Размеры астероида весьма скромные: 280 километров по одной оси и 230 километров в самой широкой части по другой. Кроме того, небесное тело, возможно, не является однородным. Неравномерное распределение массы обуславливает сложное гравитационное поле, в котором будет затруднительно поддерживать стабильную орбиту.
До настоящего времени искусственными спутниками были оснащены лишь шесть астероидов. Четыре из них — Эрос, Итокава, Рюгу и Бенну — имеют небольшие размеры, но вращаются вблизи Земли. Близость позволила астрономам собрать данные, необходимые для определения траектории. Еще два астероида — Церера и Веста. Как и Психея, они расположены в главном астероидном поясе, находящемся между Марсом и Юпитером. Однако их значительные размеры упрощают наблюдение с помощью телескопа. Это самые крупные астероиды в Солнечной системе, если не учитывать транснептуновые объекты, которые обычно не классифицируются как астероиды. Церера даже получила статус карликовой планеты, как и Плутон.
Психея не входит даже в первую десятку самых крупных астероидов, и ее удаленность от Земли превышает расстояние до Цереры и Весты. Ее наблюдали с помощью крупнейших оптических телескопов, включая орбитальный аппарат «Хаббл» и наземный комплекс VLT. Радиотелескоп «Аресибо», являвшийся на тот момент самым большим в мире, исследовал небесное тело, используя методы радиолокации. Однако достаточно ли информации о Психее собрано, чтобы целевой аппарат смог выйти на ее орбиту и выполнить запланированную двухлетнюю миссию? Ответ станет известен в 2029 году.