Магнитный ландшафт Меркурия

Пролетая мимо Меркурия в июне 2023 года, космический аппарат BepiColombo столкнулся с различными особенностями магнитного поля ближайшей к Солнцу планеты. Эти измерения дают представление о загадках, которые миссия собирается исследовать после прибытия на орбиту самой внутренней планеты Солнечной системы.

Как и Земля, Меркурий имеет магнитное поле, хотя и в сто раз более слабое у поверхности планеты, чем Земля. Тем не менее, это магнитное поле образует в пространстве своеобразный "пузырь", называемый магнитосферой, который служит буфером для непрерывного потока частиц, выдуваемых Солнцем в виде солнечного ветра. Поскольку Меркурий вращается по орбите очень близко к Солнцу, взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой и даже поверхностью планеты намного интенсивнее, чем на Земле. Изучение динамики этого "пузыря" и свойств содержащихся в нем частиц - одна из главных целей миссии BepiColombo.

BepiColombo прибудет к Меркурию в 2026 году, совершив облет Земли, Венеры и Меркурия, чтобы скорректировать скорость и траекторию полета для выхода на орбиту планеты. Космический аппарат отделит и выведет на дополнительные орбиты два научных орбитальных аппарата - Mercury Planetary Orbiter (MPO) под управлением ЕКА и Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO, или Mio) под управлением JAXA, чтобы провести необходимые исследования, необходимые для составления полной картины динамической среды Меркурия.

Во время пролетов Меркурия, многие его научные приборы включаются и с их помощью ученые получают предварительную информацию о предстоящих научных исследованиях. Кроме того, во время пролетов можно получить сведения о тех регионах планеты, которые будут недоступны непосредственно с орбиты.

Лина Хадид (Lina Hadid), бывший научный сотрудник ЕКА, ныне работающая в Лаборатории физики плазмы Парижской обсерватории, использовала набор приборов Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE), установленных на MMO, во время пролета 19 июня 2023 года - третьего из шести гравитационных маневров BepiColombo у Меркурия, - чтобы за очень короткий промежуток времени составить впечатляющую картину магнитного ландшафта планеты.

"Мы пересекли магнитосферу Меркурия примерно за 30 минут, двигаясь от заката к рассвету и находясь на расстоянии 235 км над поверхностью планеты", - рассказывает она. «Мы отобрали образцы типов частиц, их температуры и движения, что позволило нам четко проследить магнитный ландшафт за этот короткий период".

Сочетание измерений BepiColombo с компьютерным моделированием, для определения происхождения обнаруженных частиц на основе их движения, позволило Лине и ее коллегам изобразить различные особенности, встречающиеся в магнитосфере.

Мы увидели ожидаемые структуры, такие как "ударная" граница между свободно текущим солнечным ветром и магнитосферой, а также прошли через "рога", обрамляющие плазменный слой - область более горячего и плотного электрически заряженного газа, который, как хвост, тянется в направлении от Солнца. Но были и сюрпризы".

Лина является ведущим соисследователем проекта MPPE и руководителем одного из его приборов - масс-спектрометра ( Mass Spectrum Analyser). Она работала над статьей, в которой представлены результаты, вместе с бывшим руководителем прибора Домиником Делькуром (Dominique Delcourt).

"Мы обнаружили так называемый низкоширотный пограничный слой, определяемый областью турбулентной плазмы на краю магнитосферы, и здесь мы наблюдали частицы с гораздо более широким диапазоном энергий, чем мы когда-либо видели на Меркурии, во многом благодаря чувствительности масс-спектрометра, разработанного специально для сложной среды Меркурия", - говорит он. "BepiColombo сможет определить ионный состав магнитосферы Меркурия более детально, чем когда-либо".

"Мы также наблюдали энергичные горячие ионы вблизи экваториальной плоскости и в низких широтах, запертые в магнитосфере, и мы думаем, что единственный способ объяснить это - кольцевой ток, частичный или полный, но это область, которая вызывает много споров", - добавляет Лина.

Кольцевой ток - это электрический ток, переносимый заряженными частицами, запертыми в магнитосфере (виде тора, лежащего вблизи плоскости экватора). На Земле существует хорошо изученный кольцевой ток, расположенный в десятках тысяч километров от ее поверхности. На Меркурии не совсем понятно, как частицы могут оставаться в ловушке в пределах нескольких сотен километров от планеты, особенно если учесть, что магнитосфера прижата к поверхности планеты. Этот спор, вероятно, будет решен после того, как MPO и Mio начнут собирать данные на постоянной основе.

Лина и ее коллеги также наблюдали прямое взаимодействие космического аппарата с окружающей космической плазмой. Когда космический аппарат нагревается Солнцем, он не может обнаружить более холодные, тяжелые ионы, потому что сам аппарат электрически заряжается и отталкивает их. Но когда аппарат проходит через ночную тень планеты, заряд меняется, и внезапно становится видно море холодных ионов плазмы. Например, были обнаружены ионы кислорода, натрия и калия, которые, вероятно, были посланы с поверхности планеты микрометеоритными ударами или в результате взаимодействия с солнечным ветром.

"Мы как будто внезапно видим состав поверхности, "взорванный" в 3D через очень тонкую атмосферу планеты, известную как экзосфера", - замечает Доминик. "Очень интересно увидеть связь между поверхностью планеты и плазменной средой".

"В этом редком наблюдении за крупномасштабной структурой магнитосферы Меркурия в сумерках мы почувствовали вкус будущих открытий", - говорит Го Мураками (Go Murakami), научный сотрудник проекта BepiColombo JAXA.

"Наблюдения подчеркивают необходимость того, чтобы оба орбитальных аппарата и их дополнительные инструменты рассказали нам всю историю и составили полную картину того, как магнитная и плазменная среда меняется со временем и в пространстве", - добавляет Герайнт Джонс (Go Murakami), научный сотрудник проекта ЕКА BepiColombo.

"Нам не терпится увидеть, как BepiColombo повлияет на наше более широкое понимание планетарных магнитосфер".

Тем временем ученые уже изучают данные, полученные во время четвертого близкого пролета Меркурия, состоявшегося в прошлом месяце, а диспетчеры готовятся к двум последним пролетам, запланированным на 1 декабря 2024 года и 8 января 2025 года соответственно.

Источник: www.esa.int