Загадковий Меркурій вивчають космічні апарати

А. П. Відьмаченко

доктор фізико-математичних наук

Головна астрономічна обсерваторія НАН України

ВСТУП

Меркурій є найменш вивченою планетою земного типу. Раніше тільки один космічний апарат (КА) — американський «Маринер-10» — наближався до планети в 1974 та 1975 рр. Він передав відомості, зібрані під час трьох короткострокових прольотів, лише про частину (45%) меркуріанської поверхні. Новим апаратом, запущеним для вивчення Меркурія, став «Мессенджер» («МЕSSЕNGЕR» — МЕrсurу Surfасе, Sрасе ЕNvironment, GЕоchеmіstrу, аnd Ranging, тобто «Поверхня Меркурія, космічне оточення, геохімія й систематизація»). Проект «Мессенджер» коштуватиме 256 млн дол. США і при цьому стане однією з найдешевших космічних місій НАСА. За допомогою цього КА вчені мають намір одержати фотографії всієї поверхні планети та довідатися більше про її будову й принципи формування. Біля Меркурія новий космічний дослідник з’явиться у січні 2008 р.

Крім цих двох американських місій, ще Європейське космічне агентство (ЕSА) разом з японським аерокосмічним дослідницьким агентством (JАХА) розробляє місію «ВерріСоlоmbо». Запустити КА «ВерріСоlоmbо» планується в 2013 р., а орбіти Меркурія він досягне 2019 р., де й розділиться на дві складові.

Зупинімося детальніше на згаданих вище космічних місіях до Меркурія і на наукових результатах, як уже здобутих з їхньою допомогою, так і запланованих.

КА «МАРИНЕР-10»

Zahadkovyi Merkurii 1 «Маринер-10» («Маrіnеr-10») — автоматична міжпланетна станція, запущена 3 листопада 1973 р. ракетою-носієм Аtlаs/Сеntаur (Аtlаs SLV-3D/ Сеntаur D-1А) з космодрому на мисі Канаверал (на рис. 1. показано зовнішній вигляд КА «Маринер-10»). Завданням польоту було вивчення планет Венера й Меркурій із пролітної траєкторії. Загальна вартість проекту — приблизно 100 млн дол. США. «Маринер-10» дотепер все ще залишається єдиним апаратом, що зробив дослідження й знімання Меркурія із близької відстані. Це був останній апарат серії «Маринер», оскільки апарати «Маринер-11» і «Маринер-12» у свій час були перейменовані у «Вояджер-1» і «Вояджер-2» відповідно.

Характеристики апарата: корпус завдовжки 1,4 м та дві сонячні панелі завдовжки 2,7 м кожна; маса в момент запуску — 503 кг, з них 79,4 кг припадало на наукові прилади. КА був обладнаний двома ідентичними камерами для роботи у видимому й ультрафіолетовому діапазонах; інфрачервоним радіометром; ультрафіолетовим спекгрометром; детектором сонячної плазми; комплектом лічильників Гейгера—Мюллера для реєстрації заряджених часток; двома магнітометрами, винесеними на штанзі завдовжки 7 м.

КА «Маринер-10» був першим апаратом, що використав гравітаційний маневр і змінив за допомогою Венери свій перигелій для зближення з орбітою Меркурія. При цьому відстань до Венери стала 5770 км. Апарат передав приблизно 3000 знімків планети в ультрафіолетових і видимих променях з максимальною роздільністю 90 та 18 м відповідно. Фотографії показали, що атмосфера планети перебуває в постійному русі, за їхніми даними була створена модель динаміки венеріанської атмосфери. Апарат також уточнив масу Венери (вона виявилася трохи меншою, ніж використовували раніше під час розрахунків), і підтвердив відсутність у неї магнітного поля.

Потім «Маринер-10» тричі пролітав мимо Меркурія: у 1974 р. — 29 березня (на відстані 703 км) і 21 вересня (48 070 км), у 1975 р. — 16 березня (327 км). Була складена карта для 45% поверхні планети. Ґрунтуючись на показаннях приладів, було встановлено, що нічна температура на Меркурії становить -183 °С, а середня денна дорівнює +187 °С. Поверхня Меркурія виявилася сильно кратерованою і схожою з місячною. Але на відміну від Місяця на Меркурії були виявлені незвичайні високі й дуже протяжні обриви (так звані ескарпи). За даними КА, Меркурій майже позбавлений атмосфери: є тільки вкрай розріджена газова оболонка, що складається в основному з гелію. Апарат уперше виміряв магнітне поле планети.

КА «МЕССЕНДЖЕР»

Конструкція апарата. Стартова маса КА «Мессенджер» становила приблизно і 100 кг, причому майже 600 кг (понад половину всієї маси) — паливо. Корпус апарата виготовлено з композиційного графітового матеріалу і має розміри 1,42×1,85×1,27 м. Щоб забезпечити в КА прийнятний тепловий режим, передбачено спеціальні заходи (потужність сонячного випромінювання на орбіті Меркурія в 11 разів вища, ніж поблизу Землі). Спеціальний сонцезахисний екран розміром 2,5×2 м прикриває звернений до Сонця бік апарата, корпус якого вгорнуто у багатошарову теплоізоляцію, а для відведення тепла від корпуса передбачено радіатори й теплові труби.

За джерело енергії для станції правлять дві однобічні поворотні панелі сонячних батарей (СБ) розміром 1,5×1,65 м з фотоелементами з арсеніду галію. Вони здатні виробляти понад 2 кВт електроенергії, але апаратові досить усього 385—485 Вт на стадії перельоту та 640 Вт під час роботи на орбіті; тому панелі СБ будуть орієнтувати під різними кутами відносно Сонця. Крім того, 67% площі панелей покрито невеликими дзеркалами, які відбиватимуть більшу частину сонячних променів і запобігатимуть перегріву панелі.

Рушійна установка міжпланетної станції містить в собі двокомпонентний маршевий двигун з тягою 68 кг для значних маневрів і 16 малих однокомпонентних рідинних ракетних двигунів.

Zahadkovyi Merkurii 2 Рис. 2. Складання КА «Мессенджер». Фото з сайту http://messenger.jhuapl.edu .

У систему зв’язку КА входять дві антени високого підсилення (НGА) типу «фазовані решітки», дві антени середньо гопідсилення (МGА) та чотири антени низького підсилення (LGА). Усі антени закріплено нерухомо, що підвищує їхню надійність. При цьому сигнали фазованих решіток (їх уперше використовують у «далекому космосі») можуть бути спрямовані під кутом до 45° до осі антени. Одинаддятиватний передавач забезпечує передачу даних з борта на Землю зі швидкістю від 9,9 біт/с до 104 кбіт/с. Команди із Землі на борг ідуть зі швидкістю від 7,8 до 500 біт/с.

Орієнтацію КА здійснюють за допомогою двох зоряних датчиків, а також чотирьох гіроскопів і чотирьох акселерометрів, що входять до складу інерційного вимірювального блоку IМU (Іnеrtіаl Меаsurmеnt Unіt). «Мозком» апарата є два модулі (основний і резервний) інтегрованої електроніки ІЕМ, кожний з них має головний процесор RАD6000 (25 МГц) і аналогічний процесор для захисту від збоїв (10 МГц). До складу кожного ІЕМ також входить твердотільний запам’ятовувальний пристрій з пам’яттю до 1 Гбайта.

Наукова апаратура. До її складу входять такі прилади.

1) Дворежимна камера МDI (Меrсurу DualImaging System) для топографічного знімання й детального дослідження ландшафту Меркурія. Вона складається із ширококутної й вузькокутної мультиспектральних камер. Ширококугна камера має поле зору 10,5° і 12 різних фільтрів для спостереження у спектральному діапазоні 400—1100 нм. Вузькокутна камера з полем зору 1,5° реєструватиме детальні чорно-білі зображення поверхні планети.

2) Рентгенівський спектрометр XRS (Х-Rау Sресtrоmеtеr) для визначання елементного складу тонкого (до 1 мм) верхнього шару поверхні Меркурія з просторовою роздільністю 200—1000 км. Він реєструє рентгенівське випромінювання з енергією в межах від 1 до 10 кеВ, де перебувають спектральні лінії магнію, алюмінію, кремнію, сірки, кальцію, титану й заліза, а також сонячне рентгенівське випромінювання й гамма-випромінювання.

3) Гамма-спектрометр і нейтронний спектрометр GRNS (Gаmmа-Rау аnd Neutron Spectrometer) для реєстрації гамма-променів і нейтронів від елементів на поверхні Меркурія, що випускають під впливом космічного випромінювання, а також природного випромінювання радіоактивних елементів. Прилад буде застосований для картографування поверхні планети, щоб визначити елементний склад її кори, і зокрема — виявити полярні льоди.

4) Спектрометр енергійних часток і плазми EPPS (Еnеrgеtіс Раrtiсlе аnd Рlаsmа Sресtrоmеtеr), призначений для вивчення складу, розподілу й енергії заряджених часток у магнітосфері Меркурія, складається зі спектрометра заряджених часток ЕРS і високошвидкісного плазмового спектрометра FIPS.

5) Спекгрометр для дослідження складу атмосфери і поверхні МАSСS (Меrсurу Аtmоsрhеrіс аnd Surfасе Соmроsіtіоn Sресtrоmеtеr) призначено для визначення складу верхньої атмосфери та поверхні Меркурія. Він уміщує в собі два спектрометри: видимого діапазону й УФ-діапазсну; 14-діапазону та видимого.

6) Лазерний висотомір МLА (Меrсurу Lаsеr Аltimеtеr) — для високоточного топографічного знімання поверхні Меркурія.

7) Трикомпонентний магнітометр МАG. Він досліджуватиме магнітні аномалії на поверхні Меркурія, а також вивчатиме структуру та динаміку його магнітного поля.

Zahadkovyi Merkurii 3 Політ КА «Мессенджер» до Меркурія. Меркурій є одним із труднодосяжних об’єктів Сонячної системи. Щоб перейти з навколоземної орбіти на навколомеркуріанську, треба «погасити» значну частину орбітальної швидкості Землі (приблизно 30 км/с). На сьогодні жоден космічний апарат не здатний на прямий переліт до Меркурія, тому застосовують складну стратегію численних гравітаційних маневрів. Траєкторія КА «Мессенджер» передбачає шість таких маневрів. 1 серпня 2005 р. апарат пройшов на висоті 2866 км від поверхні Землі, 24 жовтня 2006 р. та 5 червня 2007 р. «Мессенджер» двічі пролетів біля Венери. Так, 24 жовтня 2006 р. КА зробив гравітаційний маневр у полі тяжіння Венери, пройшовши на відстані 3040 км від її поверхні зі швидкістю 12,4 км/с. Після завершення даного маневру станція опинилася на геліоцентричній орбіті з такими параметрами: велика піввісь 0,7235 а. о., перигелшна відстань 0,546 а. о., афелійна відстань 0,901 а. о., ексцентриситет 0,245, нахилення до екліптики 6,1°. Причому цей маневр міжпланетна станція здійснювала практично наосліп для наземних контролерів. Адже Венера в цей момент перебувала за Сонцем, і зв’язок з апаратом був практично відсутнім: інженери приймали лише немодульований сигнал від станції та відслідковували її променеву швидкість за доплерівським зсувом частоти. Під час наступного маневру в гравітаційному полі Венери (5 червня 2007 р.) умови були вже сприятливішими.

15 січня, 6 жовтня 2008 р. та 30 вересня 2009 р. КА зробить ще три гравітаційні маневри біля Меркурія, і тільки 18 березня 2011 р. апарат вийде на високоеліптичну полярну орбіту навколо Меркурія і стане першим в історії штучним супутником Меркурія. Найменша висота у перицентрі становитиме близько 200 км. Апарат має пропрацювати на орбіті Меркурія протягом двох меркуріанських діб, тобто трохи менше одного земного року. Основний фактор, який визначатиме довговічність космічного апарата в цьому випадку, — перегрів бортових приладів променями близького світила.

Уважають, що відомості, які здобуде ця американська станція, будуть пізніше використані для уточнення завдань, що постануть перед міжнародною місією «ВерріСоlоmbо».

МІЖНАРОДНА КОСМІЧНА МІСІЯ «ВЕРРІСОLOМВО»

Тим часом Європейське космічне агентство (ЕSА) разом з японським аерокосмічним дослідницьким агентством (JАХА) розробляє ще одну космічну місію до Меркурія, її назва — «ВерріСоlоmbо». Вона складається із двох космічних апаратів — «Меrсurу Рlаnеtаrу Оrbіtеr» (МРО) і «Меrсurу Маgnеtоsрhеrіс Оrbіtеr» (ММО). Європейський апарат МРО досліджуватиме поверхню Меркурія та його внутрішню будову, а японський ММО буде стежити за магнітним полем і магнітосферою планети.

У підготовці цього космічного експерименту візьмуть участь і російські вчені з Інституту космічних досліджень Російської академії наук. До складу наукового обладнання для дистанційних досліджень планети та її магнітосфери входитиме російський прилад «Гамма» і нейтронний спектрометр «МГНС». Для дослідження магнітного поля Меркурія та його взаємодії із сонячним вітром призначено спеціальну установку.

Крім того, Росія створює ще три прилади разом з Японією, Францією й Австрією. У проекті бере участь також Роскосмос, за допомогою якого планується виведення даного КА на орбіту. Запуск «ВерріСоlоmbо» планується на 2013 р. У 2019 р. він досягне орбіти Меркурія, де й розділиться на дві складові.

ЩО МИ ЗНАЄМО ТА ЧОГО НЕ ЗНАЄМО ПРО МЕРКУРІЙ

Особливості спостереження й обертання Меркурія. Це — найближча до Сонця планета, її названо, як і багато інших планет Сонячної системи, на честь одного з богів античного пантеону, а саме — римського бога торгівлі (відповідає грецькому Гермесові). Меркурій — досить важка для спостереження із Землі планета. Будучи внутрішньою, стосовно Землі, планета ніколи не віддаляється на небі від Сонця далі, ніж на 28°, і тому її зовсім недовго видно на тлі ранкової зорі або вечірньої заграви. У старовину часто вважали двома різними світилами ранковий Меркурій і вечірній. У Древньому Єгипті ці дві іпостасі Меркурія мали назви Сет і Гор, у Древній Індії — Будда та Рогінея, у Древній Греції — Аполлон і Гермес.

Меркурій рухаєтеся навколо Сонця по сильно витягнутій еліптичній орбіті (ексцентриситет — 0,205), перигелійна відстань становить 45,9 млн км, афелійна — 69,7 млн км. Середня швидкість руху планети по орбіті — 48 км/с. Нахил орбіти до площини екліптики дорівнює 7°. Один оберт по орбіті Меркурій робить за 87,97 доби. Протягом тривалого часу вважалося, що Меркурій постійно обернений до Єонця однією й тією ж стороною і один оберт навколо осі триває ті ж 87,97 доби. Спостереження деталей на поверхні Меркурія, виконані на межі роздільної здатності земних телескопів, здавалося, також не суперечили цій гадці. Така омана була пов’язана з тим, що найсприятливіші умови для спостереження Меркурія повторюються приблизно через потрійний синодичний період, тобто через 348 земних діб, що майже дорівнює шестикратному періоду обертання Меркурія (352 доби), тому кожного наступного сприятливого разу спостерігали приблизно одну й ту ж саму ділянку поверхні планети. З іншого боку, деякі астрономи гадали, що меркуріанська доба приблизно дорівнює земній.

Істину встановили тільки в середині 1960-х рр., коли була здійснена радіолокація Меркурія. Виявилося, що меркуріанська зоряна доба дорівнює 58,65 земної доби, тобто двом третім меркуріанського року: Це — унікальне для Сонячної системи явище: протягом одного свого року Меркурій устигає зробити півтора оберти навколо своєї осі. Тобто, якщо в моментпроходження Меркурієм перигелію певна точка його поверхні повернена точно до Сонця, то під час наступного проходження через перигелій до Сонця буде повернута в точності протилежна точка його поверхні, а ще через один меркуріанський рік Сонце знову перебуватиме в зеніті над першою точкою. Через те сонячна доба на Меркурії триває два меркуріанські роки або три меркуріанські зоряні доби!

Унаслідок такого руху планети на ній існують так звані гарячі довготи — тобто два протилежні меридіани, які по черзі повернені до Сонця під час проходження Меркурієм перигелію і на яких через це буває особливо гаряче навіть за меркуріанськими мірками.

Комбінація рухів планети породжує ще одне унікальне явище. Швидкість обертання планети навколо осі — величина практично стала, тим часом як швидкість орбітального руху постійно змінюється через значний ексцентриситет орбіти. Поблизу перигелію протягом приблизно вісьмох діб швидкість орбітального руху перевищує швидкість обертального. У результаті Сонце на небі Меркурія спочатку зупиняється, а потім починає рухатися у зворотному напрямку — із заходу на схід. Цей ефект іноді називають ефектом Ісуса Навіна, за іменем біблійного героя, який зупинив рух Сонця. Для спостерігача на довготах, що відстоять на 90° від «гарячих довгот», Сонце при цьому сходить (або заходить) двічі.

Меркурій — загадковий сусід. Хоч як це дивно на перший погляд, але найближча до Сонця та найменша з планет Сонячної системи (її діаметр усього в 1,5 раза більший за місячний) довгий час залишалася на периферії наукового зацікавлення. Меркурій є одним із найменш вивчених об’єктів Сонячної системи. Цьому є кілька причин. По-перше, через близькість планети до Сонця спостерігати Меркурій із Землі вкрай складно, оскільки він майже постійно ховається у променях денного світила. Багатьом астрономам-професіоналам не вдавалося навіть мигцем побачити цю малесеньку планету. Хоча Меркурій часто буває дуже яскравий (іноді він не поступається за яскравістю Сіріусу — найяскравішій зорі на нашому небосхилі), однак планета губиться в блакитних і яскраво-рожевих барвах світанку або у вечірніх присмерках. По-друге, Меркурій, як і годиться богові торгівлі та посланцеві Олімпу (зауважмо — також заступникові шахраїв і злодіїв), досить швидко рухається по своїй орбіті. Тому зближення будь-якого КА з настільки «жвавим» об’єктом являє собою дуже складне навігаційно-балістичне завдання. Практично цього досягають застосуванням численних гравітаційних маневрів (див. вище),

Фізичні характеристики Меркурія. Меркурій — найменша планета земної групи. Його радіус — усього 2439 км, що менше за радіус Ганімеда й Титана (супутників Юпітера й Сатурна відповідно). Маса планети дорівнює 3,3×10²³ кг. Середня густина Меркурія досить велика — 5,43 г/см³, що лише незначно менше від густини Землі. З огляду на те, що Земля більша за розмірами, високе значення густини Меркурія вказує на підвищений уміст металів у його надрах.

Близькість до Сонця і досить повільне обертання планети, а також відсутність атмосфери приводять до того, що на Меркурії спостерігаються найрізкіші перепади температури у Сонячній системі. Середня температура його денної поверхні дорівнює 623 К, нічної — усього 103 К. Мінімальна температура на Меркурії становить 90 К, а максимальна досягає 700 К опівдні на згадуваних вже «гарячих довготах».

У той же час всередині грунту, на невеликій глибині, температура взагалі не залежить від часу доби, як показали проведені із Землі вимірювання в радіодіапазоні. Це свідчить про високі теплоізоляційні властивості поверхневого шару. Але протягом світлового дня, який триває на Меркурії аж 59 земних діб, усі ділянки поверхні все-таки встигають добряче прогрітися, нехай і на невелику глибину.

Здавалося б, що за таких умов говорити про можливість існування на Меркурії льоду — щонайменше абсурдно. Але от 1992 р., під час радіолокаційних спостережень із Землі поблизу північного та південного полюсів планети, були вперше виявлені ділянки, що дуже сильно відбивають радіохвилі. Саме ці дані й були витлумачені як свідчення наявності льоду в приповерхневому меркуріанську шарі. Уважають, що лід утворюється на дні кратерів. Під час ударяння об поверхню Меркурія льодяних кометних ядер вода випаровується та подорожує планетою доти, доки не замерзне в полярних районах на дні глибоких кратерів. Туди, через їхнє близьке розташування до полюсів планети, сонячні промені понадають лише мимохідь або й зовсім не попадають. Лід там може зберігатися практично необмежене довго.

Однак існування льоду на поверхні Меркурія або на невеликій глибині під нею дотепер однозначно не доведено. Річ у тому, що підвищену здатність відбивати радіохвилі мають і кам’яні гірські породи, які містять хімічні сполуки металів із сіркою, і металеві конденсати, наприклад, іони натрію, які осіли в результаті постійного «бомбардування» Меркурія частками сонячного вітру. Але тут відразу ж виникає запитання, чому ділянки, які сильно відбивають радіосигнали, чітко є наявними саме в полярних областях Меркурія? Може, тому, що решту території значно сильніше захищає від сонячного вітру магнітне поле планети?

Сподівання на прояснення загадки про льоди в царстві спеки пов’язані саме з польотом до Меркурія нових автоматичних космічних станцій, обладнаних вимірювальними приладами, котрі дозволять визначити хімічний склад поверхні планети.

Поверхня планети. Безліч кратерів укриває поверхню Меркурія, яка багато в чому схожа на місячну. Кількість їх різна на різних ділянках. Уважають, що ділянки, густіше вкриті кратерами, є давніші, а ділянки з меншою кількістю кратерів — молодші, які утворилися під час затоплення лавою старішої поверхні.

Ретельніші дослідження знімків дозволили встановити, що підвищені ділянки навколо місячних кратерів, складені з матеріалу, викинутого під час кратероутворювального вибуху, у півтора рази ширші за такі ж на Меркурії для кратерів однакових розмірів. Пояснюється це тим, що саме більша вага меркуріанської породи перешкоджала більш далекому розльоту грунту. Виявилося також, що на Меркурії, як і на Місяці, є два головних типи місцевості — аналоги місячних материків і морів.

Однак на Меркурії видно також утворення, яких нема на Місяці взагалі і які дуже рідко трапляються на Марсі. Прикладом можуть бути так звані ескарпи — обриви заввишки до 2—2,5 км, які тягнуться на сотні й тисячі кілометрів і поділяють подібні в геологічному плані місцевості. Уважають, що ескарпи виникли внаслідок стискування, яке супроводжувало охолодження планети, у результаті якого поверхня Меркурія зменшилася на 1%.

Одна з найпомітніших деталей поверхні Меркурія — Рівнина Спеки (латинською «Саlоrіs Рlаnіtіа»). Цей кратер одержав таку назву, бо він міститься поблизу однієї з «гарячих довгот». Його поперечник становить близько 1300 км. Імовірно, що тіло, унаслідок падіння якого утворився такий кратер, мало поперечник не менший, ніж 100 км. Удар був настільки сильним, що сейсмічні хвилі, пройшовши всю планету і сфокусувавшись у протилежній точці поверхні, спричинили утворення тут своєрідного посіченого «хаотичного» ландшафту.

Дуже цікаво буде порівняти фотографії поверхні Меркурія, які зробив 30 років тому КА «Маринер-10», і новоздобуті знімки тих же ділянок поверхні. Досліджена тоді частина (45%) поверхні, як виявилося, є сильно кратерована і древня, подібно до поверхні Місяця. Дещо молодшими, але все ще досить старими були рівнини, які містилися між найбільшими старими кратерами. Багато вчених уважає, що ці рівнини можуть мати вулканічну природу. На користь цієї інтерпретації говорила невелика різниця у кольорі рівнин і древніх кратерів, що може вказувати на різний склад порід на поверхні. Оскільки ділянки поверхні, попередньо діагностовані як вулканічні, занадто малі, щоб бути добре помітними на картинках (всього лише 10), здобутих КА «Маринер-10», то походження рівнин залишається поки нез’ясованим.

Атмосфера й фізичні поля. Під час прольоту КА «Маринер-10» повз Меркурій була встановлена наявність у планети своєрідної, дуже розрідженої газової оболонки, тиск якої в п’ятсот мільярдів (5×10¹¹) разів менший за тиск земної атмосфери. Тобто відповідно до технічних стандартів це — практично чистий вакуум. За таких умов атоми частіше зіштовхуються з поверхнею планети, ніж один з одним. Атмосферу Меркурія складають атоми, захоплені із сонячного вітру або вибиті сонячним вітром із поверхні, — аргон, водень, гелій, калій, кальцій, кисень, натрій. Час життя такого атома в такій атмосфері становить приблизно 200 діб.

Поповнення водню та гелію в атмосфері відбувається, принаймні частково, від потоку гарячого іонізованого газу — так званого сонячного вітру. Частину кисню та водню можуть поповнювати також крижані ядра комет і метеоритів, що падають на Меркурій. Натрій, калій і частина кисню найімовірніше поповнюються від мінералів з поверхні планети. Як очікують дослідники, КА «Мессенджер» за допомогою штатного ультрафіолетового спектрометра й спектрометра енергійних часток визначить склад так званої екзосфери (або, що те ж саме, верхньої атмосфери) Меркурія. Здобутий таким чином елементний склад екзосфери порівняють з хімічним складом мінералів на поверхні, установленим за допомогою спектрометрів, що працюють у рентгенівськи променях і гамма-променях. Таке порівняння дасть змогу визначити, які саме процеси привели до появи конкретних молекул у розрідженій атмосфері Меркурія.

Магнітне поле Меркурія. У свій час сюрпризом були здобуті КА «Марінер-10» дані про наявність у Меркурія магнітного поля, величина якого становить приблизно 1% від земного. Ця незначна, на перший погляд, обставина була вкрай важливою для вчених, оскільки з усіх планет земної групи глобальну магнітосферу мають лише Земля та Меркурій. Нахил осі диполя до осі обертання Меркурія — 12° (для Землі — 11°), а напрямки магнітних диполів Землі й Меркурія однакові.

Точно кажучи, подання магнітного поля Меркурія дипольним наближенням є поки що досить умовним. Порівняння магнітного поля Меркурія під час різних зближень КА «Маринер-10» виявило, що, можливо, присутні й недипольні складові, а, наприклад, під час першого та третього зближень напруженість поля відрізнялася майже в три рази. Звичайно, це може свідчити і про короткострокову нестабільність дипольного магнітного поля планети. Але, з іншого боку, короткостроковість пролітних траєкторій КА «Маринер-10» залишає й таку можливість, як наявність «вмороженого» магнітного поля, різного в різних кластерах поверхні Меркурія.

Якщо ж уважати, що магнітне поле найближчої до Сонця планети Сонячної системи утворюється так само, як для Землі, — своєрідною динамо-машиною, то треба припустити обертання розплавленого заліза в ядрі планети. За розрахунками фахівців, потужність магнітного поля Меркурія має бути в 30 разів більша за спостережувану, але вона становить усього 1% від потужності магнітного поля Землі. Згідно з гіпотезою, запропонованою німецьким ученим Ульріхом Христенсеном (Інститут досліджень Сонячної системи імені Макса Планка), секрет полягає в структурі ядра Меркурія. У. Христенсен уважає, що зовнішні шари ядра утворені стабільними шарами, які ізольовані від тепла, що йде від внутрішнього ядра. У результаті лише у внутрішній частині ядра відбувається ефективне перемішування матеріалу, що створює магнітне поле. На потужність динамо також впливає повільне обертання планети. Тобто найправдоподібнішим поясненням природи меркуріанського магнітного поля може бути наявність у надрах планети частково розплавленого металевого ядра. Саме його й треба спробувати виявити під час майбутніх космчних місій для того, щоб зробити вибір між гіпотезами, що існують. Свою теорію У. Христенсен сподівається перевірити за допомогою даних, які будуть отримані з КА «Мессенджер».

Магнітометр «Мессенджера» детально вимірюватиме магнітне поле Меркурія протягом понад два меркуріанські роки. При цьому визначатимуть його величину і його зміну залежно від положення на планеті та від висоти. Ефекти впливу Сонця на магнітне поле планети будуть вимірювати магнітометр і плазмовий спектрометр.

Чому Меркурій настільки важкий? Кожна з планет земного типу складається зі щільного, багатого на залізо, ядра, оточеного мантією з магнію та силікатів (скельних порід). Верхній шар кори сформувався або з остиглих матеріалів під час диференціації всього об’єму на ранній стадії історії планети, або під час пізнішого підйому з надр розплавлених у мантії складових. Густина кожної планети відображає баланс збагаченого залізом основногоядра і збагаченої силікатами мантії та кори. Середня густина Меркурія становить 5,43 г/см³ і практично є найбільша з усіх планет земної групи. Уважають, що в надрах Меркурія міститься металеве ядро радіусом 1800—1900 км, яке становить 65% усієї маси планети. Його оточує силікатна оболонка завтовшки 500—600 км. Такий відносний розподіл маси між ядром і мантією вказує на те, що це майже вдвічі більше, ніж для Землі.

Існують три основні теорії для пояснення, чому Меркурій настільки в середньому важчий і збагачений металом, ніж Венера, Земля й Марс. Кожна з теорій провіщає різний мінералогічний склад поверхні Меркурія.

1). Планета сформувалася з порівняно тонкої протяжної небулярної сонячної туманності, газ якої під час остигання привів до того, що Меркурій у глибоких шарах став збагачуватися металами, але не змінив склад силікатів у верхній мантії. Тоді породи на поверхні Меркурія мали б бути такими, як і в інших планет земного типу.

2). Висока температура раннього Сонця випарувала частину зовнішнього шару порід протомеркурія й залишила планету з підвищеним складом металів. Ця гіпотеза провіщає породи на поверхні планети, бідні на елементи, що легко випаровуються, — такі, як натрій і калій.

3). Незабаром після сформування Меркурій був позбавлений практично первинної кори й навіть верхньої мантії в результаті гігантського бомбардування його поверхні планетезималями, що притягувалися та падали на Сонце. Ця теорія провіщає, що сучасна поверхня має складатися з порід, дуже бідних на такі хімічні елементи, які спочатку були сконцентровані в первинній корі (кремній, алюміній, кисень).

Саме на КА «Мессенджер» покладено завдання з’ясувати, яка із цих теорій є правильною. Спектрометри, що працюють у рентгенівських променях і гамма-променях, а також в інфрачервоній і видимій ділянках спектру, дадуть змогу виміряти істинну кількість хімічних елементів у поверхневому шарі й визначити мінералогічний склад меркуріанської поверхні. Камера ж покаже невидиму раніше частину Меркурія, і майже вся поверхня буде відображена встереорежимі, щоб визначити глобальні топографічні дані планети й обрис поверхні. Лазерний висотомір виміряє топографію поверхневих особливостей у північній півкулі ще точніше. Порівняння топографічних особливостей із гравітаційним полем планети дасть змогу визначити місцеві зміни в товщині кори Меркурія.

Додаток

Зведена таблиця фізичиних і орбітальних характеристик Меркурія

Діаметр	4878 км
Об’єм	6,083×10¹⁰км³
Маса	3,302×10²³кг
Густина	5,427 г/см³
Площа поверхні	7,5×10⁷ км²
Гравітація в екваторіальній зоні	3,701 м/с² (0,377 g)
Друга космічна швидкість	4,435 км/с
Сидеричний період обертання	58 діб 15,5088 год
Нахил екватора до площини орбіти	2°
Температура поверхні: мінімальна середня максимальна	90 К 440 К 770 К
Відстань від Сонця: середня в перигелії в афелії	57 909 176 км (0,38709893 а. о.) 46001272 км 69817079км
Сидеричний період обертання навколо Сонця	87,96934 земної доби
Середня орбітальна швидкість	47,36 км/с
Ексцентриситет орбіти	0,205 630 69
Нахил орбіти до площини екліптики	7°
Довжина орбіти	3,6×10⁸ км
Склад (у відсотках) атмосфери, ендогенної з природи (без урахування сонячного вітру) калій натрій атомарний кисень аргон молекулярний кисень азот діоксид вуглецю вода водень	31,7 24,9 9,5 7 5,6 5,2 3,6 3,4 3,2