Новые космические миссии ESA: прикоснуться к Венере

В прошлый раз мы рассказали о планах Европейского космического агентства (ESA) на 2024-2025 года. Сейчас погрузимся несколько глубже в будущее, ведь в десятилетних планах европейцев есть весьма важные для человечества космические миссии к Венере. Можно даже сказать, что вторая планета от Солнца будет главным исследовательским ориентиром для астрономических научных кругов Европы и США. В период с 2029 по 2031-й туда собираются запустить сразу три космические миссии: DAVINCI (ориентировочный запуск в 2029 году) с VERITAS (не ранее 2031-го), которыми занимается NASA, и EnVision, за реализацию которой отвечает ESA.

Запуск EnVision может стать не только идеальной демонстрацией всей мощности, на которую способны новые ракеты Ariane 6, но и предоставить наиболее полное представление о Венере и ее прошлом, ведь процессы, однажды загубившие этот водный мир, возможно, когда-то начнутся и на нашей планете.

Итак, в деталях рассмотрим EnVision — одну из самых амбициозных планетарных миссий ESA в этом десятилетии.

Вклад NASA: модуль VenSAR

Проект по исследованию Венеры посредством автоматизированного спутника-сканера официально озвучили в 2021 году. Именно тогда выбрали главный зонд миссии EnVision — компактную научную лабораторию, оснащенную самыми современными системами для радиолокационного картографирования второй планеты от Солнца.

EnVision выступает частью более глобальной программы ESA Cosmic Vision — своеобразного мастер-плана агентства по исследованию планет ближнего круга Солнечной системы.

Согласно программе миссии, космический аппарат EnVision будет оперировать на полярной орбите Венеры в течение 15 месяцев, и сосредоточится на четырех ключевых зонах. Некоторые из них специально будут совпадать с зонами интереса космического корабля NASA Magellan, работавшего на орбите Венеры с 1990 по 1994 год.

Космическую лабораторию EnVision оснастят сразу четырьмя станциями (модулями), каждая из которых будет отвечать за свою научную миссию. Консультации ESA с NASA относительно научного оборудования, которое должны установить на EnVision, завершились распределением обязательств. Поэтому NASA приняло участие в разработке модуля VenSAR — радара с синтезированной апертурой, спроектированного группой ученых под руководством Скотта Хенсли из Лаборатории реактивного движения (JPL) в штате Калифорния.

Модуль VenSAR космического аппарата EnVision будет осуществлять разнообразные функции. Впрочем, топографический маппинг поверхности и картографирование, вне сомнений, выходят на первое место. Радар работает в S-диапазоне, то есть его рабочая частота приближается к 3,2 ГГц.

Поверхностная поляриметрия — один из методов картографирования, предлагаемых VenSAR. Он определяется в замере изменения поляризации электромагнитных волн, отраженных от поверхности. Поляриметрия — своеобразное топологическое сканирование поверхности с помощью радара в приближенных к атмосфере условиях, когда сигналы с длиной волны ≈9,4 см имеют наибольшую проходимость среды.

Разрешение изображения рельефа, которое в состоянии сделать VenSAR, будет достигать около 10 м на пиксель, что достаточно детализировано для орбитальной радарной съемки.

С помощью VenSAR зонд будет производить региональное картографирование Венеры с возможностью сосредоточиться на определенных зонах интереса в ходе орбитального маневрирования. Модуль также будет предоставлять данные радиометрии и скатерометрии (измерения интерферометрии отраженного лазерного луча).

Радарная станция с синтезированной апертурой применяет и методы стереовизуализации, посредством которых можно достичь искусственного усиления глубины — своеобразной иллюзии 3D-эффекта полученного изображения. Методология становится доступной благодаря постоянному движению космического аппарата по орбите Венеры, что меняет положение сканера между излучением и приемом сигнала. Этот интервал между измерениями (параллакс между радарными изображениями) можно при дальнейшей обработке данных визуализировать как одно глубокое изображение. Методология стереовизуализации используется и при обработке обычных спутниковых фотоснимков.

Инструменты, которыми будет обладать американский модуль VenSAR, проложат EnVision прямой путь к возможности вести 3D-маппинг зон интереса Венеры в режиме почти реального времени (все-таки следует учитывать временные задержки в дальнейшей передаче полученных данных на Землю). Среди других интересностей, содержащихся внутри SAR-станции, есть опция альтиметрии (измерение высоты зонда) для помощи уже в режиме орбитального управления.

Радар с синтезированной апертурой по специальному температурному каналу может отслеживать постепенные изменения температуры на поверхности Венеры в ходе многочисленных пролетов своих маршрутных точек.

Venus SRS: возможность заглянуть под венерианский грунт

Три других научных эксперимента, которыми оснастят космический зонд EnVision, произведены ESA. К их разработке привлекли ведущих европейских специалистов в области астрономии и аэрокосмической инженерии из ряда сильнейших научных институтов Старого Света. Каждый из трех модулей получит собственную зону ответственности, которая будет разбита на наблюдения за атмосферой (а именно за содержанием и миграцией диоксида серы), геологическими структурами и гравитационным полем Венеры.

За геологические исследования будет отвечать Venus Subsurface Radar Sounder (SRS) — второй прибор на EnVision, который является подповерхностным радарным эхолотом низкой частоты. По своему устройству SRS — дипольная радарная антенна, принимающая сигнал в диапазоне 9-30 МГц. Концепция модуля спроектирована и воплощена сотрудниками Университета ди Тренто, Италия, под руководством Лоренцо Бруццоне.

В отличие от SAR-радара, оперирующего с относительно короткими волнами до 10 см, SRS будет работать в мегагерцовом диапазоне, когда длина излучаемой электромагнитной волны достигает от 10 до 100 м. Именно такие частоты радара позволят научному прибору SRS погрузиться под венерианскую поверхность в поисках кратеров и других особенностей рельефа, которые могут скрываться под толстым слоем планетарного грунта.

Рабочая частота в 9 МГц имеет бóльшую проникающую способность и предоставит EnVision возможность заглянуть почти на 600 м вглубь венерианского грунта (в зависимости от сканируемой породы). Правда, при использовании такого типа сигнала довольно сильно упадет разрешение визуализированного изображения — оно составит ≈16 м/пиксель. Использование волн меньшей длины на диапазонах 30 МГц прогнозируемо приведет к уменьшению лимита углубления (до 350 м), но в несколько раз повысит качество полученных снимков — до 5 м на пиксель.

Исходя из этого, EnVision SRS будет способен к двум основным типам исследований. В частности, это высокочувствительные SRS Hi-density для получения данных о наиболее интересных зонах интереса Венеры (~20% планеты), и худшие по качеству SRS Low-density, которые охватят остальные ~80% планеты.

Таким образом, SRS будет ориентирован преимущественно на исследование ударных кратеров (возможные залежи ценных металлов), потоков лавы (которые могут информировать о внутреннем устройстве планеты) и других типов геологических образований, наиболее интересующих ученых.

Исследование атмосферы: три детектора VenSpec

Venus Spectroscopy Suite (VenSpec) — научный модуль для исследования горных пород Венеры, состоящий из трех приборов: VenSpec-M, VenSpec-H и VenSpec-U. За их разработкой стоят сразу три ведущих европейских института.

• VenSpec-M — научный прибор для определения химического состава горной породы Венеры. Эта универсальная геологическая обсерватория на борту EnVision подарит ESA шанс детально ознакомиться с типами породы и, что самое важное, изучить остатки элементов. Это способно дать представление о геологическом прошлом планеты на миллионы лет вглубь. Эксперимент VenSpec-M разработан научными сотрудниками берлинского Института планетарных исследований при Немецком аэрокосмическом центре (DLR) под руководством Йорна Гелберта.
• VenSpec-H — это ультрафиолетовый спектрометр и инфракрасный картограф для исследования венерианской атмосферы. Основной задачей VenSpec-H станет изучение тропосферы, а также исследование механизма вулканизации планеты через необычную призму — содержание вулканических газов в ее атмосфере. Именно концентрация оксида серы (SO₂) и ее соотношение с остатками H₂O, которые до сих пор присутствуют в венерианской атмосфере, могут дать представление о механизмах процессов возникновения и распространения вулканических облаков. Проектом руководит доктор Анн Карин Вандале из Королевского бельгийского института космической аэрономии (BIRA-IASB).
• VenSpec-U (также называют VeSUV) — спектрометрический прибор, позволяющий проводить мониторинг избытка вулканических сернистых газов (SO, SO₂) в венерианской атмосфере. За почти 40-летний период космических исследований было установлено, что содержание SO₂ в атмосфере планеты выявляет тенденцию к волновым интервалам, когда сначала фиксируется его большой выброс в атмосферу, с постепенным снижением в течение последующих десятков лет.

Такая циркуляция диоксида углерода либо может свидетельствовать о мощной вулканической активности, либо же является медленной циркуляцией самой атмосферы планеты. Венерианская атмосфера, возможно, окажется похожей на океан, с десятилетними приливами и отливами колоссальных сернистых облаков. Кроме этого, VenSpec-U способен измерять ультрафиолетовые контрасты с помощью спектрального анализа рассеянного солнечного света, поступающего на приемный сенсор (поэтому данная технология будет использоваться исключительно на дневной стороне планеты).

Такой комплексный подход EnVision гарантирует способность получать больше спектральных данных — необходимое многообразие начальных переменных для дальнейшего построения моделей уже на Земле. Прибор разработан учеными из LATMOS (Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales), главного аэрокосмического исследовательского хаба Версальского университета, Франция. Руководит проектом Эммануэль Марк.

Сканер поверхностной гравитации RSE

Финальным модулем EnVision является Radio Science Experiment (RSE), разработанный двумя учеными из Нантского университета во Франции — Кэролайн Дюмулен и Паскалем Розенблаттом. Лаборатория для измерения гравитации RSE будет способна обнаруживать сверхчувствительные колебания гравитационного поля, которые зонду предстоит постоянно обновлять, путешествуя по орбите Венеры, особенно пролетая мимо ее полюсов.

За время своей миссии EnVision должна накопить достаточное количество данных сканирования для построения полноценных гравитационных карт северного и южного полушарий планеты. С этой точки зрения миссия EnVision станет довольно счастливым шансом, ведь измерение поверхностной гравитации Венеры с Земли является действительно трудной задачей ввиду того, что планета слишком приближена к Солнцу, сверхтяжелая масса которого искривляет ее гравитацию. Зато RSE будет значительно ближе к поверхности планеты, а низкий эксцентриситет орбитального движения космического корабля позволит получить очень чувствительные измерения гравитационного поля.

Имея картину гравитационного поля, с одной стороны, и данные топографии планеты, переданные с VenSAR, можно будет получить наиболее детальное представление о ядре Венеры. А значит — и заглянуть в глубинные процессы, которыми руководствуется жизнь (если ее можно так назвать) на планете.

Несмотря на свой неизбежный финал, EnVision будет способна увидеть Венеру на тех уровнях, куда никогда бы не добрался человек. Задействование полного цикла сверхмощных современных технологий электромагнитного сканирования предоставит человечеству огромный массив данных, особенно что касается эволюции этого, когда-то влажного, а сейчас засушливого и обезвоженного мира.

Запуск EnVision запланирован на 2031 год, если графики не претерпят изменений. Космический аппарат стартует с помощью ракеты-носителя Ariane 6 (модификации 62), у которой на тот момент уже должен накопиться определенный опыт после коммерческих полетов или научных запусков.

Отметим, что предыдущие модификации ракет серии Arian не смогли бы выполнять миссии вроде EnVision. Одна только стартовая масса космического корабля достигнет 2607 кг. Добавьте к этому еще 255 кг полезного груза с научно-экспериментальным оборудованием, и станет понятно, почему европейский космос планирует подобные путешествия только на следующее десятилетие — носитель сначала необходимо хорошенько опробовать. В дальнейшем появление новых ракет подарит космическому сектору Европы уникальную возможность в исследовании ближнего круга планет Солнечной системы.

Космическая миссия EnVision станет лишь первым из трех путешествий к Венере, запланированных на ближайшее десятилетие, и будет воплощена совместными усилиями NASA с ESA. Вместе же эти три вояжа принесут ученым терабайты данных наблюдения, которые лягут в основу написания последующих научных трудов о венерианской эволюции в прошлом и наблюдения за ее современными циклами.