Подорож до центру Землі: як “Психея” знайде минуле нашої планети в глибинах космосу

NASA запустило зонд “Психея” до однойменного астероїда. Психея – не просто астероїд: найімовірніше, це ядро планети, яка так і не народилася. Нова місія дасть людству перший шанс буквально побачити планетарне ядро, щоб краще зрозуміти, як утворилися Земля і її сусіди по Сонячній системі.

13 жовтня 2023 року, до космосу вирушив зонд «Психея». Він має круїз в головний астероїдний пояс, до маловивченого небесного тіла з тією ж назвою. Навіть спроба вийти на орбіту навколо Психеї — це ризик, але ціль стоїть ризику. Завдяки місії вчені заглянути не лише в далеке минуле Землі, а й до її центру — майже буквально.

Народжені з пилу

Виникнення планет – один із найзагадковіших етапів в історії Сонячної системи. Запитань та гіпотез тут більше, ніж точного знання. І не дивно, адже бачити цей процес на власні очі не було кому. Наприклад, скільки тривало формування Землі? Оцінки відрізняються від лічених мільйонів років до сотень мільйонів.

Загалом зрозуміло, що генеральним підрядником для будівництва планет була гравітація. Речовина притягалася одна до одної і концентрувалася у невеликі тіла. Ті стикалися один з одним і або злипалися, або подрібнювалися, залежно від швидкості.

«Зародки планет», що виникали таким шляхом, називаються планетезімалями. Серед фахівців немає згоди, тіла якого розміру слід так називати. Одні називають так брили розміром в кілометр-другий, інші – майже повноцінні планети розміром з Місяць, треті згодні на весь діапазон розмірів.

Деяким планетезімалям пощастило розрости до багатьох сотень кілометрів у діаметрі. Такі тіла були досить масивними, щоб почалася гравітаційна диференціація – поділ надр на шари. Тяжкі речовини, такі як метали, під дією тяжіння занурювалися в центр, видавлюючи легкі елементи ближче до поверхні.

Саме тому середня щільність Землі (5,5 грама в кубічному сантиметрі) вдвічі вища за щільність порід земної кори, які ми можемо помацати руками. Мантія щільніше кори, а ядро ​​щільніше мантії. Вважається, що ядро ​​Землі складається в основному із заліза та нікелю, завдяки чому і породжує магнітне поле. Проте вчені судять про це за непрямими даними. Навіть земну кору, не кажучи вже про мантію, ще нікому не вдалося пробурити наскрізь.

Те, до чого не вдалося дістатися Землі, можна знайти в космосі. Деякі астероїди, судячи з їх спектрів, щільності та відбивної здатності, багаті на метали. Вони називаються астероїдами типу М. Крім того, іноді до рук дослідників потрапляють метеорити з промовистою назвою «залізні». Що якщо «М-астероїди» — ядра планетезималей, зруйнованих у жорстоких сутичках із сусідами? А залізні метеорити — уламки цих ядер?

Ця гіпотеза приваблива, але ще перевірена. Астероїди такі малі, що навіть у кращі телескопи виглядають як плями без особливих деталей. А космічні зонди ще ніколи не відвідували астероїди на кшталт М. «Психея» стане першою.

Астероїд Психея, відкритий 1852 року, від початку дивував астрономів своїм блиском. За сучасними даними, він складається з металу на 30-60% і має густину від 3,4 до 4,1 грама в кубічному сантиметрі. Цілком схоже на ядро ​​протопланети, що почало формуватися.

Очі «Психеї»

Зонд «Психея» не сідатиме і збиратиме зразки. Він вивчить астероїд з орбіти, що теж не просто. На цьому питанні ми зупинимося нижче.

На борту апарату три наукові прилади.

Перший – здвоєна мультиспектральна камера. Вона зніматиме астероїд у видимому світлі та інфрачервоних променях. Ці знімки допоможуть визначити рельєф Психеї та мінеральний склад поверхні.

Другий прилад – нейтронний та гамма-спектрометр. Космічні промені, врізаючись у поверхню Психеї, викликають у її речовині ядерні реакції. Спостерігаючи нейтрони та гамма-промені, що виникають в результаті цих реакцій, вчені визначать, з яких хімічних елементів та в яких пропорціях складається ґрунт.

Третій пристрій – магнітометр. Астероїди надто малі, щоб мати власне магнітне поле. Інша річ – протопланета, ядром якої Психея могла бути. Якщо метал зберіг залишкову намагніченість, це буде свідченням на користь «ядерного» минулого небесного тіла.

Нарешті, сама «Психея» загалом — у певному сенсі прилад вивчення гравітації астероїда. Вчені точно відстежуватимуть її траєкторію по радіопроменю. Це допоможе скласти карту поля тяжіння, а значить, і розподіл маси по небесному тілу.

Програма туру

У «Психеї» чотири двигуни. Кожен з них розвиває тягу всього 0,24 ньютон (приблизно з такою ж силою на вашу долоню тисне пальчикова батарейка). Основною силою, що приводить зонд у рух, стане гравітація Сонця. Двигуни потрібні, щоб коригувати траєкторію, перетворюючи її із замкнутої орбіти на спіраль. Це стандартний підхід до міжпланетних польотів, оскільки відстані у Сонячній системі солідні, а заправки у явному дефіциті.

Для роботи двигуна “Психея” бере із собою 1085 кілограмів ксенону. Атоми ксенону розганятимуться електричним полем і вириватимуться із сопла, створюючи реактивний струмінь. Подібні електродвигуни застосовують на космічних апаратах вже кілька десятиліть. Вони набагато економічніші за хімічні, хоча не такі потужні.

 У травні 2026 зонд зблизиться з Марсом і отримає від нього гравітаційний поштовх. Психея пройде на відстані від 3000 до 4400 кілометрів від поверхні Марса. Ця дистанція можна порівняти з радіусом планети: досить далеко, щоб не зіткнутися, і досить близько, щоб отримати гравітаційний розгін.

Завдяки цьому маневру апарат змінить траєкторію і в серпні 2029 досягне астероїда Психея. На той момент він буде в 2,7 разів далі від Сонця, ніж Земля. “Психея” вийде на орбіту навколо своєї тезки і досліджуватиме її.

Це кінцева точка маршруту. Зонд не повертатиметься на Землю, ні вирушатиме до інших астероїдів. Планується, що “Психея” пропрацює як мінімум до листопада 2032 року. За цей час астероїд зробить трохи менше половини обороту навколо Сонця. Орбіта Психеї помітно відрізняється від кругової. Тому на момент закінчення місії небесне тіло буде вже в 3,1 рази далі від Сонця, ніж наша планета.

За цей час зонд змінить кілька орбіт довкола астероїда. Найвища з них пролягає за 709 кілометрів над поверхнею, а найнижча — за 75 кілометрів. 

Можливо, астрономам пощастить і апарат залишиться в строю після листопада 2032-го. Напевно, місію продовжуватимуть, поки на борту залишатиметься хоч один працюючий науковий прилад, а двигуни будуть здатні підтримувати орбіту навколо астероїда.

Ризикований задум

Втім, навіть вийти на цю орбіту не так просто. Психея не така велика, щоб власна гравітація перетворила її на кулю. Своєю витягнутою формою вона швидше нагадує яйце чи картоплину. Ось скромні габарити астероїда: 280 кілометрів по одній осі та 230 кілометрів у найширшому місці по іншій. Мало того, небесне тіло може виявитися ще й неоднорідним. Складний розподіл маси означає складне поле тяжіння, у якому непросто підтримуватиме стійку орбіту.

Досі лише шість астероїдів могли похвалитися штучним супутником. Чотири з них – Ерос, Ітокава, Рюгу та Бенну – невеликі, але навколоземні. Скромна дистанція допомогла астрономам зібрати інформацію, необхідну розрахунку орбіти. Ще два — Церера та Веста. Вони, як і Психея, перебувають у головному астероїдному поясі між Марсом та Юпітером. Але їх великі розміри полегшують спостереження в телескоп. Це найбільші астероїди в Сонячній системі, якщо не брати до уваги транснептунових об’єктів, які зазвичай не називають астероїдами. Церера заслуговує звання карликової планети нарівні з Плутон.

Психея не входить навіть у першу десятку найбільших астероїдів, а від Землі вона навіть трохи далі, ніж Церера і Веста. Звичайно, її вивчали найбільші оптичні телескопи: орбітальний «Хаббл» і наземний VLT. Радіотелескоп “Аресібо”, на той момент найбільший у світі, зондував небесне тіло в режимі локатора. І все ж чи достатньо спостерігачі з’ясували про Психей, щоб однойменний зонд вийшов на орбіту навколо неї і пропрацював два роки? Дізнаємось у 2029-му.