Путешествие к центру Земли: как «Психея» найдет прошлое нашей планеты в глубинах космоса

Сегодня, 13 октября 2023 года, в космос отправился зонд «Психея». Ему предстоит круиз в главный астероидный пояс, к малоизученному небесному телу с тем же названием. Даже попытка выйти на орбиту вокруг Психеи — это риск, но цель стоит риска. Благодаря миссии ученые заглянут не только в далекое прошлое Земли, но и в ее центр — почти в буквальном смысле.

Рожденные из пыли

Возникновение планет — один из самых загадочных этапов в истории Солнечной системы. Вопросов и гипотез здесь больше, чем точного знания. И неудивительно, ведь видеть этот процесс воочию было некому. Например, сколько продолжалось формирование Земли? Оценки разнятся от считаных миллионов лет до сотен миллионов.

В целом понятно, что генеральным подрядчиком на строительство планет была гравитация. Вещество притягивалось друг к другу и концентрировалось в небольшие тела. Те сталкивались друг с другом и либо слипались, либо дробились, в зависимости от скорости.

Возникавшие таким путем «зародыши планет» называются планетезималями. Среди специалистов нет согласия, тела какого размера следует так называть. Одни именуют так глыбы размером в километр-другой, другие — почти полноценные планеты размером с Луну, третьи согласны на весь диапазон размеров.

Некоторым планетезималям повезло разрастись до многих сотен километров в диаметре. Такие тела были достаточно массивны, чтобы началась гравитационная дифференциация — разделение недр на слои. Тяжелые вещества, такие как металлы, под действием тяготения погружались в центр, выдавливая легкие элементы ближе к поверхности.

Именно поэтому средняя плотность Земли (5,5 грамма в кубическом сантиметре) вдвое выше плотности пород земной коры, которые мы можем пощупать руками. Мантия плотнее коры, а ядро плотнее мантии. Считается, что ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, благодаря чему и порождает магнитное поле. Однако ученые судят об этом по косвенным данным. Даже земную кору, не говоря уже о мантии, еще никому не удалось пробурить насквозь.

То, до чего не удалось добраться на Земле, можно найти в космосе. Некоторые астероиды, судя по их спектрам, плотности и отражательной способности, богаты металлами. Они называются астероидами типа М. Кроме того, иногда в руки исследователей попадают метеориты с красноречивым названием «железные». Что если «М-астероиды» — ядра планетезималей, разрушенных в жестоких столкновениях с соседями? А железные метеориты — осколки этих ядер?

Эта гипотеза заманчива, но еще не проверена. Астероиды так малы, что даже в лучшие телескопы выглядят как пятна без особых деталей. А космические зонды еще никогда не посещали астероиды типа М. «Психея» станет первой.

Астероид Психея, открытый в 1852 году, с самого начала удивлял астрономов своим блеском. По современным данным, он состоит из металла на 30–60% и имеет плотность от 3,4 до 4,1 грамма в кубическом сантиметре. Вполне похоже на начавшее формироваться ядро протопланеты.

Глаза «Психеи»

Зонд «Психея» не будет садиться и собирать образцы. Он изучит астероид с орбиты, что тоже отнюдь не просто. На этом вопросе мы остановимся ниже.

На борту аппарата три научных прибора.

Первый — сдвоенная мультиспектральная камера. Она будет снимать астероид в видимом свете и инфракрасных лучах. Эти снимки помогут определить рельеф Психеи и минеральный состав поверхности.

Второй прибор — нейтронный и гамма-спектрометр. Космические лучи, врезаясь в поверхность Психеи, вызывают в ее веществе ядерные реакции. Наблюдая нейтроны и гамма-лучи, возникающие в результате этих реакций, ученые определят, из каких химических элементов и в каких пропорциях состоит грунт.

Третье устройство — магнитометр. Астероиды слишком малы, чтобы иметь собственное магнитное поле. Другое дело — протопланета, ядром которой Психея могла быть. Если металл сохранил остаточную намагниченность, это будет веским свидетельством в пользу «ядерного» прошлого небесного тела.

Наконец, сама «Психея» в целом — в некотором смысле прибор для изучения гравитации астероида. Ученые будут точно отслеживать ее траекторию по радиолучу. Это поможет составить карту поля тяготения, а значит, и распределения массы по небесному телу.

Программа тура

У «Психеи» четыре двигателя. Каждый из них развивает тягу всего 0,24 ньютона (примерно с такой же силой на вашу ладонь давит пальчиковая батарейка). Основной силой, приводящей зонд в движение, станет гравитация Солнца. Двигатели нужны, чтобы корректировать траекторию, превращая ее из замкнутой орбиты в спираль. Это стандартный подход к межпланетным полетам, поскольку расстояния в Солнечной системе солидные, а заправки в явном дефиците.

Для работы двигателя «Психея» берет с собой 1085 килограммов ксенона. Атомы ксенона будут разгоняться электрическим полем и вырываться из сопла, создавая реактивную струю. Подобные электрические двигатели применяют на космических аппаратах уже несколько десятилетий. Они гораздо экономичнее химических, хотя не столь мощны.

 В мае 2026 года зонд сблизится с Марсом и получит от него гравитационный толчок. «Психея» пройдет на расстоянии от 3000 до 4400 километров от поверхности Марса. Эта дистанция сравнима с радиусом планеты: достаточно далеко, чтобы не столкнуться, и достаточно близко, чтобы получить гравитационный разгон.

Благодаря этому маневру аппарат изменит траекторию и в августе 2029 года достигнет астероида Психея. На тот момент он будет в 2,7 раза дальше от Солнца, чем Земля. «Психея» выйдет на орбиту вокруг своей тезки и будет исследовать ее.

Это конечная точка маршрута. Зонд не будет ни возвращаться на Землю, ни отправляться к другим астероидам. Планируется, что «Психея» проработает как минимум до ноября 2032 года. За это время астероид совершит чуть меньше половины оборота вокруг Солнца. Орбита Психеи заметно отличается от круговой. Поэтому к моменту окончания миссии небесное тело будет уже в 3,1 раза дальше от Солнца, чем наша планета.

За это время зонд сменит несколько орбит вокруг астероида. Самая высокая из них пролегает в 709 километрах над поверхностью, а самая низкая — в 75 километрах. 

Возможно, астрономам повезет, и аппарат останется в строю после ноября 2032-го. Наверняка миссию будут продлевать, пока на борту будет оставаться хоть один работающий научный прибор, а двигатели будут способны поддерживать орбиту вокруг астероида.

Рискованный замысел

Впрочем, даже выйти на эту орбиту не так просто. Психея не столь велика, чтобы собственная гравитация превратила ее в шар. Своей вытянутой формой она скорее напоминает яйцо или картофелину. Вот скромные габариты астероида: 280 километров по одной оси и 230 километров в самом широком месте по другой. Мало того, небесное тело может оказаться еще и неоднородным. Сложное распределение массы означает и сложное поле тяготения, в котором будет непросто поддерживать устойчивую орбиту.

До сих пор только шесть астероидов могли похвастаться искусственным спутником. Четыре из них — Эрос, Итокава, Рюгу и Бенну — небольшие, но околоземные. Скромная дистанция помогла астрономам собрать информацию, необходимую для расчета орбиты. Еще два — Церера и Веста. Они, как и Психея, находятся в главном астероидном поясе между Марсом и Юпитером. Но их солидные размеры облегчают наблюдение в телескоп. Это самые крупные астероиды в Солнечной системе, если не считать транснептуновых объектов, которые обычно не называют астероидами. Церера вовсе удостоена звания карликовой планеты наравне с Плутоном.

Психея же не входит даже в первую десятку крупнейших астероидов, а от Земли она даже несколько дальше, чем Церера и Веста. Конечно, ее изучали в крупнейшие оптические телескопы: орбитальный «Хаббл» и наземный VLT. Радиотелескоп «Аресибо», на тот момент крупнейший в мире, зондировал небесное тело в режиме локатора. И все же достаточно ли наблюдатели выяснили о Психее, чтобы одноименный зонд вышел на орбиту вокруг нее и проработал положенные два года? Узнаем в 2029-м.