Кандидат физико-математических наук Надежда ЕВДОКИМОВА, Институт космических исследований (ИКИ) РАН (Москва)

В марте 2013 г. в Институте космических исследований РАН прошла Международная конференция-коллоквиум "Посадочный аппарат на Ганимед: научные цели и эксперименты", посвященная реализации проекта "Лаплас-П", в рамках которого наша страна планирует в 2023 г. отправить к спутнику Юпитера посадочный аппарат. Он обещает стать лидерским в отечественной космонавтике по научным задачам и технической сложности. Миссия реализуется в связке с проектом JUICE (JUpiter ICy moon Explorer - исследователь ледяных лун Юпитера) Европейского космического агентства, которое за год до старта российского зонда намерено направить к Ганимеду свою орбитальную станцию.

Коллоквиум проходил при поддержке Международного комитета по космическим исследованиям COSPAR (Commitee on Space Research) и Российского фонда фундаментальных исследований. В нем приняли участие свыше 50 специалистов из России, Европы и США, занимающихся изучением Юпитера и его спутников.

Полет в систему Юпитера займет около восьми лет и будет проходить по комбинированной баллистической схеме, включающей четыре гравитационных маневра у Венеры и Земли на гелиоцентрическом этапе миссии, и завершится каскадом комбинаций вблизи юпитерианских лун. Сложнейшую задачу представляет также посадка на Ганимед.

Решением комплекса этих проблем в нашей стране занимаются сотрудники Института космических исследований РАН, Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН и Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина. На конференции представители этих организаций обсудили проблемы начального этапа проекта (потенциальная

научная нагрузка спускаемого и орбитального аппаратов, взаимодействие с зондом JUICE и земными наблюдателями), а также подвели итоги работ последних лет по изучению Ганимеда и системы Юпитера.

Крупнейший из всех юпитерианских спутников (на данный момент их обнаружено около 50) и самый большой в Солнечной системе (по размерам он превосходит даже планету Меркурий) давно привлекает внимание ученых. В его чрезвычайно разреженной атмосфере нашли кислород (в виде O, O₂, O₃), что, впрочем, не является прямым доказательством существования жизни. Однако ученые обнаружили аномалии магнитного поля небесного тела. А это, по мнению специалистов, - один из признаков наличия соленого водного слоя в его коре - потенциального источника жизни. Изучение Ганимеда, в том числе и с точки зрения его возможной обитаемости, - одна из целей российской и европейской миссий.

Напомним, история изучения любопытного космического объекта началась еще в XVII в., когда известный итальянский физик, механик, астроном, философ и математик Галилео Галилей открыл (1610 г.) у Юпитера четыре спутника (в порядке удаления): Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. (Некоторые источники, правда, утверждают, что годом раньше их обнаружил немецкий астроном Симон Марий, но вовремя не заявил об этом.) Долгие столетия Ганимед, которого, как и трех остальных - так называемых галилеевых спутников, даже сами исследователи осмеливаются называть планетой, оставался для них лишь крохотной слабой точкой - ведь единственным источником данных о нем были измерения с помощью наземных телескопов, дававших большую погрешность. В 1972 г., в частности, группа ученых из разных стран, наблюдая в индонезийской обсерватории звездные затмения, обнаружила у юпитерианского спутника тонкую атмосферу и оценила ее давление на уровне 0,1 Па. Правда, позже информация о ее существовании была опровергнута.

С началом космической эры - запуском американских аппаратов "Пионер" (1973 - 1974 гг.), "Вояджер" (1979 г.), "Галилео" (1989 - 2003 гг.), "Новые горизонты" (2006 г.) - произошел качественный скачок в изучении объекта. Миссия "Галилео", предназначавшаяся для изучения Юпитера и его спутников, стала самой результативной за всю историю исследований Ганимеда. Благодаря ей, современные научные представления о небесном светиле вышли на новый уровень. Важные результаты были получены также по данным орбитального телескопа "Хаббл" (совместный проект НАСА и Европейского космического агентства, запущен в 1990 г.)., когда удалось различить в поверхностном слое планеты слабое ультрафиолетовое свечение атомарного кислорода.

Сегодня о Ганимеде известно уже довольно много, хотя наши знания о нем пока опираются на данные немногочисленных дистанционных наблюдений. Его строение, состав, геологическая история, заметно отличающиеся от земных, представляют интерес для специалистов разных отраслей: от планетного геолога и химика до астробиолога.

На поверхности спутника Юпитера наблюдаются многочисленные следы активного геологического прошлого: тектонических и вулканических процессов, импактных (от англ. impact - удар, столкновение) событий. Планета в основном покрыта льдом (H₂O), содержание которого в различных районах составляет от 50 до 90%. Установлено также, что в верхнем слое присутствует большое количество гидратированных минералов, в частности сульфатов натрия и магния. Ученые (например, американский астроном Ханс Драгет и его коллеги) полагают: они могли проникнуть из внутриледных жидких полостей. Более того, многие убеждены в существовании в коре целого океана, подобного обнаруженному в недрах другого спутника Юпитера - Европы. Точные его размеры и состав жидкой внутриледной оболочки до сих пор остаются предметом споров. Кроме водяного, на поверхности Ганимеда найден неоднородно распределенный лед из ССЬ, обнаружены признаки аммиака, оксида серы.

Следует отметить, химический состав поверхности специалисты устанавливали по данным дистанционных (орбитальных) спектроскопических измерений, что подразумевает получение сведений лишь о верхнем слое толщиной не более 100 мкм. В результате помимо однозначно идентифицированных обнаружены спектральные линии, до сих пор не отнесенные четко ни к какому веществу: это полосы поглощения -3,7, 3,88, 4,05 мкм и др. Остается неизвестным точный состав присутствующего повсеместно темного

Недра галилеевых спутников Юпитера: 1 - Ио, 2 - Европы, 3 - Ганимеда, 4 - Каллисто.

Участок Ганимеда, где одновременно присутствуют разные типы поверхностей: светлые, темные и древние (поданным "Галилео").

материала: несет ли он примеси органического вещества, слоистых силикатов или иной физической субстанции?

По совокупности внешних признаков поверхность Ганимеда часто делят на "светлые" и "темные" области. Первые моложе, они в меньшей степени кратеризованы и покрывают большую его часть. Вторые, испещренные кратерами, - более древние, по некоторым оценкам, их возраст может достигать 4 млрд. лет. В состав последних, полагают специалисты, могут входить слоистые силикаты (глины), гидратированные минералы, органические вещества.

Среди своих соседей Ганимед выделяется не только размером, но и довольно высокой степенью дифференциации недр (на это указывали еще в 1996 г. американский исследователь Дж. Андерсон и его коллеги, опираясь на гравитационные данные аппарата "Галилео"). В недрах спутника наблюдается четкое разделение на ядро, мантию и внешнюю оболочку - кору. Согласно современным данным ядро планеты состоит преимущественно из Fe и FeS и имеет размер, по разным оценкам, от 400 до 1300 км. Ученые полагают: оно горячее и находится, по крайней мере частично, в расплавленном состоянии - это подтверждается и фактом обладания достаточно сильным собственным магнитным полем.

Ганимед имеет мощную силикатную мантию, обогащенную, согласно некоторым оценкам, магнием. Сверху она покрыта толстым ледяным панцирем с примесью солей и ряда других соединений толщиной - 800 - 1000 км, что представляет огромный интерес для науки. До сих пор не ясно, какие именно формы льдов формируются при экстремальных условиях на Ганимеде. Вероятно, там можно будет найти не только привычный нам гексагональный, но и аморфный лед, а также иные его модификации, нехарактерные для Земли.

И жидкое ядро, и внутренний океан, о котором упоминалось выше, могут указывать на то, что недра планеты до сих пор остывают после катастрофического события, произошедшего в течение последнего миллиарда лет и вызвавшего изменение орбиты и сильнейший разогрев за счет всплеска приливной энергии.

Интересно, что по данным все того же зонда "Галилео" на Ганимеде были выявлены гравитационные аномалии - их точная причина пока не установлена. Предполагается, что они могут быть обусловлены как случайной неоднородностью внутреннего строения, образовавшейся в ходе геологической эволюции, так и крупномасштабными импактными событиями в прошлом.

"Атмосфера" спутника, впервые обнаруженная в 1995 г. с помощью телескопа "Хаббл", настолько слабая, что ей в большей степени подошло бы название "экзосфера". Тогда был установлен ее состав с преимущественным содержанием молекул кислорода (O₂), его концентрация, по разным оценкам, составляет 1,2 - 10⁸ - 7-10⁸ см^-3. Один из вероятных источников образования O₂ - реакция разложения H₂O, при которой водород улетучивается с гораздо большей скоростью, чем кислород. А поэтому можно утверждать: в "экзосфере" Ганимеда в мизерных по сравнению с O₂ количествах может присутствовать H₂, а также атомы H и O.

Магнитосфера спутника достаточно сложна и представляет огромный интерес для исследований. Впервые ее обнаружил космический аппарат "Галилео". Сам спутник обладает достаточно сильным собственным магнитным полем (его величина на экваторе достигает порядка 720 нТл). Специалисты считают: она генерируется за счет механизма динамо, обусловленного конвекцией в жидком металлическом ядре. При этом Ганимед непрерывно движется во внешнем магнитном поле Юпитера - возле орбиты спутника оно слабее, чем его собственное, и составляет - 120 нТл. В связи с этим у "третьей планеты" появляется еще одно - индуцированное магнитное поле порядка 60 нТл, порождаемое, скорее всего, подвижными зарядами в подповерхностных проводящих

Три взгляда на Ганимед. Слева - обычный снимок "Вояджера". Два других получены картирующим спектрометром с борта "Галилео": водяной лед (посередине) и гидратированные минералы - красные на фоне зелено-голубого льда (справа).

жидких солевых растворах. Оно было зафиксировано с помощью магнитометра на борту "Галилео". Установлено также, что на высоких широтах спутника, окруженного короной из горячих атомов кислорода, происходят полярные сияния.

Посадочный аппарат на Ганимед в случае удачного хода миссии поможет глубже заглянуть в некоторые потаенные уголки этого далекого и загадочного небесного тела.

Наши ученые намерены отправить в 2023 г. к спутнику два исследовательских зонда: орбитальный (главным образом для связи) и посадочный. Путь до Юпитера займет около шести лет, что объясняется сложностью гравитационных маневров, необходимых для вывода аппарата на расчетную траекторию вокруг Ганимеда на сниженной скорости. Кроме того, движение должно проходить на относительно безопасном расстоянии от планеты-гиганта, чтобы минимизировать опасное для чувствительной аппаратуры воздействие энергичных заряженных частиц ее радиационных поясов. В настоящее время специалисты Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина, Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ, Института прикладной математики (ИПМ) им. М. В. Келдыша РАН, а также ИКИ РАН ведут работы по определению оптимальных баллистических схем, учитывающих требования миссии.

Результаты глобальных расчетов модели движения представил на коллоквиуме ведущий научный сотрудник ИПМ доктор физико-математических наук Алексей Грушевский. Он привел набор типовых вариантов - каскадов маневров в системе Юпитера, рассчитанных для разных дат прилета в эту систему, предельных затрат топлива, продолжительности миссии и максимальных уровней радиационных доз, допустимых для аппарата.

Длительность тура около галилеевых спутников изменяется от полутора до трех лет и включает несколько десятков маневров у Ганимеда и Каллисто (четвертого, наиболее удаленного спутника Юпитера). Как подчеркнул докладчик, использовать можно любую из синтезированных цепочек в зависимости от задач проекта. Кроме того, уже в этой фазе полета можно проводить научные наблюдения при близком прохождении спутников.

Простейшие модели движения используют метод так называемого склеивания конических сечений (как правило, эллипсов). Говоря упрощенно, аппарат переходит с одной представленной коническим сечением орбиты на другую с помощью гравитационных маневров и собственных двигателей. Они-то и "склеиваются" друг с другом. Но это - лишь "скелет" реального движения.

Команда ИПМ пошла по более кропотливому пути. Точный расчет каждой цепочки гравитационных маневров в чем-то сродни охоте - аппарат запускается в цель точным выстрелом. Задача усложняется тем, что "пуля" от него должна рикошетом попасть в следующую цель. И так далее... Иначе затраты топлива многократно возрастают.

Выйдя на орбиту искусственного спутника Ганимеда, посадочный аппарат пробудет на ней несколько месяцев, а потом начнет посадку.

Возможные схемы этого этапа представил старший научный сотрудник ИПМ кандидат физико-математических наук Алексей Голиков. Одна из них выглядит так: аппарат некоторое время находится на круговой полярной орбите искусственного спутника Ганимеда с высотой около 100 км (как показывают вычисления, она достаточно стабильна), затем после нескольких коррекций переходит на промежуточную с высотой от 15 до 100 км. А далее - серия "поправок", переводящих устройство в режим посадки.

Представленные баллистические решения, безусловно, не окончательные: многое зависит от сформированного облика станции, точного времени старта и множества других деталей. К тому же фазы экспедиции будут рассчитывать для обоих аппаратов.

Снимок "Галилео" выявил на местности систему депрессий, напоминающих по внешнему виду кальдеру древнего вулкана. На дне видны следы, напоминающие отложения древних потоков. Солнце освещает ландшафт в кадре слева, размер снимка - приблизительно 91x62 км.

Компьютерная трехмерная реконструкция "светлой" области Урик Сулус, испещренной бороздами и грядами (поданным "Галилео").

Большое значение для обеспечения надежности предстоящего полета имеет сотрудничество с Европейским космическим агентством. Российский проект планируется как партнерский с миссией JUICE - ее запуск к системе Юпитера запланирован на 2022 г. Космическая станция зарубежных коллег может стать передаточным звеном в сеансах радиосвязи с нашим зондом. Кроме того, фотографии поверхности Ганимеда, сделанные JUICE, отечественные специалисты могут использовать для выбора места посадки российского модуля. Эти и другие важные технические вопросы "совместимости" проектов стали предметом обсуждения международного коллоквиума.

Фото National Aeronautics and Space Administration (NASA)

Постоянный адрес данной публикации: