Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

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

Джерело: Астрономічний календар 2008, С. 222—232