Порівняно з Марсом та Венерою, Меркурій здається досить нудним світом. Почнемо з того, що це найменша планета Сонячної системи. Через її близькість до Сонця ніхто ніколи не сподівався знайти там братів за розумом чи бодай якесь найпримітивніше життя. До того ж, на Меркурій вельми непросто дістатися. Політ до нього значно складніший, ніж експедиція до Плутона.
Але, як відомо, зовнішність буває оманливою. Нехай перша планета і не така популярна, як її сусіди у Сонячній системі, це дуже цікавий світ, який усе ще зберігає безліч секретів. Сьогодні розповімо, як людство вивчало Меркурій, і чому він заслуговує на більш пильну увагу.
Невловима планета
З усіх видимих неозброєним оком планет Сонячної системи Меркурій, мабуть, найскладніший для спостережень, особливо у помірних широтах. Річ у тім, що планету можна побачити в порівняно короткий проміжок часу відразу після заходу або перед сходом сонця, причому досить низько над горизонтом. Відтак є навіть популярна астрономічна легенда, начебто на схилі літ геніальний Микола Коперник якось поскаржився, що за своє життя так жодного разу і не побачив невловиму планету.
Ще один досить цікавий факт полягає в тому, що в датованому V сторіччям індійському астрономічному трактаті “Сур’я-сиддханта” наводиться оцінка радіусу Меркурія в 2420 км, що відрізняється від справжнього значення лише на 1%. Але є важливий момент. Ця оцінка базувалася на докорінно помилкових уявленнях про кутовий розмір планети на небі. Те, що автори трактату виявилися настільки близькими до реальної цифри, це, скоріше, приклад дивовижного збігу, ніж якогось загубленого знання древніх.
Винахід телескопа допоміг збільшити багаж знань про Меркурій — щоправда, не дуже істотно. 1631 року П’єр Гассенді вперше спостерігав, як ця планета проходить диском Сонця. Його вразило, наскільки маленькою вона виявилася. Незабаром астрономи відкрили зміни фаз Меркурія, і остаточно довели, що він обертається навколо Сонця.
У міру створення потужніших телескопів астрономи почали перші спроби картографувати поверхню Меркурія. Зрозуміло, вони не були особливо успішними. Вже у наш час з’ясувалося, що у всіх мап докосмічної ери було мало спільного з дійсністю.
У 1859 році знаменитий астроном Урбен Левер’є (саме він за 13 років до цього здійснив розрахунки, що дозволили відкрити Нептун) оголосив про виявлення аномального усунення перигелія орбіти Меркурія, яке було неможливо пояснити в межах класичної ньютонівської механіки. Сам він вважав це існуванням іще однієї, не відкритої планети між Сонцем та Меркурієм. Цей гіпотетичний об’єкт отримав назву Вулкан. Левер’є навіть розрахував його орбіту. Але, попри численні спроби, астрономам не вдалося знайти нову планету. Загадку усунення орбіти Меркурія було розкрито лише після публікації 1915 року Загальної теорії відносності (ЗТВ). Виявилося, що все пояснюється релятивістськими ефектами, пов’язаними із близькістю планети до Сонця.
До початку космічної ери більшість учених були певні, що Меркурій постійно звернений до Сонця однією й тією ж стороною, адже під час спостережень у телескопи астрономи завжди бачили однакові світлі та темні плями на його поверхні. Фантасти швидко підхопили цю ідею і почали малювати захоплюючі уяву картини світу, з одного боку якого течуть річки з розплавленого свинцю, а от в іншій частині панують морок і люта стужа.
Однак 1965 року спалахнула сенсація. Виміри радіотелескопа “Аресібо” показали, що планета все ж таки обертається навколо своєї осі з періодом 58 днів, водночас її період звернення навколо Сонця становить 88 днів. Тобто, ці показники перебувають у резонансі 2:3.
То чому ж астрономи так сильно помилялися? Спостереження Меркурія зазвичай проводилися, коли він був у нижньому з’єднанні із Землею — коли планети опинялися на найкоротшій відстані одна від одної. Але річ у тому, що за досить цікавим збігом, синодичний період Меркурія (проміжок часу між двома послідовними сполученнями) становить 116 днів. Тобто, за час між двома нижніми з’єднаннями Меркурій встигає зробити рівно два оберти навколо своєї осі і знову виявляється повернутим до Землі тією самою стороною. Спостерігаючи завжди однакову картину у свої телескопи, астрономи закономірно дійшли висновку, що планета перебуває в припливному захопленні відносно Сонця.
Проблеми подорожі до Меркурія
Один із маловідомих моментів щодо Меркурія полягає в тому, що фактично саме він, а не Венера, є найближчою до нас планетою. Так, якщо брати мінімально можливу відстань між орбітами, то Венера, звісно, ближче. Але якщо рахувати вже середню дистанцію між планетами, то протягом більшої частини року саме Меркурій буде найближчою до Землі планетою.
Тим дивніше, що Меркурій є ще й планетою, до якої чи не найважче дістатися. І причина цього — Сонце. Проблема навіть не в його потужному випромінюванні, що потребує встановлення на зонд захисного екрану. Вся справа у гравітації. Через близькість цієї планети до Сонця його гравітація дуже впливає на будь-який запущений до Меркурія космічний апарат. Аби вийти на орбіту навколо планети, цю швидкість необхідно погасити, що вимагає значних витрат палива.
На жаль, можливості сучасної ракетної техніки не дозволяють просто відправити автоматичну станцію з достатньою кількістю палива для виконання подібного гальмівного маневру. Навіть запуск прогонової місії до Меркурія пов’язаний із необхідністю вельми витратних корекцій курсу. Крім того, забігаючи трохи наперед, Меркурій не має атмосфери, що виключає можливість використання техніки аерогальмування для погашення швидкості.
Це одна з основних причин, чому перша планета від Сонця ніколи не була у центрі фокусу космічних досліджень. Той самий СРСР, наприклад, ніколи всерйоз не розглядав можливість відправлення до неї будь-яких місій.
Що стосується США, там ситуація була дещо іншою. У перші роки космічної ери деякі американські вчені розглядали можливість відправити до Меркурія апарат, який став би його штучним супутником. Для запуску планувалося використати надважку ракету Saturn V. Але різке скорочення бюджету NASA поховало цю ідею.
На щастя, інженери зуміли вигадати набагато дешевший варіант у вигляді запуску прогонової станції, яка мала скористатися гравітацією Венери, щоб дістатися своєї мети. Ця місія отримала позначення Mariner 10. Таким чином NASA вбивало відразу двох зайців. З одного боку, організація стирала одну з білих плям із мапи Сонячної системи. З іншого — відпрацьовувала на практиці застосування техніки гравітаційного маневру, яка мала стати в пригоді під час організації більш складних і важливих у науковому плані місій до планет-гігантів.
Місяць зовні, Земля всередині
Mariner 10 було запущено у листопаді 1973 року. Через три місяці він здійснив проліт Венери. Вчені скористалися цією можливістю, щоб зробити серію ефектних знімків її атмосфери в ультрафіолетовому діапазоні.
Гравітація Венери дозволила змінити траєкторію Mariner 10 таким чином, щоб він почав здійснювати періодичні прольоти Меркурія. Перше рандеву відбулося у березні 1974 року. Далі Mariner 10 встиг виконати ще два прольоти Меркурія, перш ніж зв’язок із ним втратили назавжди.
Надіслані Mariner 10 знімки продемонстрували пейзажі, що дуже нагадують місячні. Виявилося, що поверхня Меркурія покрита великою кількістю стародавніх кратерів. Інша подібність між планетою і Місяцем полягає у практично повній відсутності атмосфери. Газова оболонка Меркурія вкрай тонка і складається з частинок, захоплених із сонячного вітру або вибитих сонячним вітром з поверхні. Вона настільки розріджена, що її атоми частіше стикаються із планетою, ніж один із одним.
Утім, досить швидко стало зрозуміло, що перше враження виявилося оманливим. Хоча зовні Меркурій і схожий на Місяць, у плані внутрішньої будови він має низку спільних рис із Землею. Наприклад, учені з подивом виявили, що планета має власне магнітне поле, тоді як у Венери і Марса, набагато більших за розмірами, глобальне магнітне поле відсутнє.
Дані Mariner 10 значно підняли науковий інтерес до Меркурія — особливо до його внутрішньої будови. Вчені хотіли знайти відповіді на запитання, що є ядром планети, і яким чином воно здатне підтримувати існування постійного магнітного поля. На жаль, на той час у NASA були інші пріоритети. Так що Mariner 10 так і залишився єдиною у XX столітті місією, яка відвідала першу планету.
Тому астрономам доводилося обмежуватись дистанційними спостереженнями Меркурія. Дослідження 1990-х років на радіотелескопі “Аресібо” принесли цікаве відкриття. У полярних областях планети виявили незвичайні яскраві регіони. Характеристики сигналу, що відбився від них, дивовижно нагадували ті, що спостерігаються у крижаних супутників планет-гігантів.
Спочатку більшість учених украй скептично сприйняли вірогідність наявності льоду на Меркурії. Однак після підтвердження існування крижаних покладів на дні полярних місячних кратерів, що перебувають у вічній тіні, ця концепція поступово почала набирати популярності.
У 2004 році NASA нарешті запустило другу в історії місію до Меркурія, яка отримала назву MESSENGER. Її основними цілями було повне картографування поверхні планети, вивчення її магнітного поля, внутрішньої будови та пошук відповідей на питання щодо природи загадкових областей на полюсах.
Для досягнення цих цілей космічний апарат мав вийти на постійну орбіту навколо Меркурія, що, як ми вже зазначали, було нетривіальним завданням. Його рішенням стала дуже складна траєкторія, яка охоплювала сім років польоту та шість гравітаційних маневрів для погашення швидкості (один біля Землі, два біля Венери і три коло самого Меркурія).
На щастя, розрахунки інженерів NASA виявилися вірними, і в березні 2011 року MESSENGER став першим в історії штучним супутником Меркурія. Цікаво, що на шляху до планети зонд загалом пролетів 7,9 млрд км. Це майже на 2 млрд км більше за відстань між Землею та Плутоном.
MESSENGER працював на орбіті навколо Меркурія чотири роки. Зібрані місією дані дозволили пролити світло на подробиці його внутрішньої будови. Виявилося, що у ядра Меркурія радіус близько 2020 км (при радіусі самої планети 2440 км). Це означає, що ядро становить 57% його внутрішнього обсягу. Для порівняння, у Землі цей показник дорівнює 17%.
Наразі є дві основні гіпотези природи аномально великого ядра Меркурія. Згідно з популярнішою версією, спочатку він був типовою кам’яною планетою. Однак після зіткнення з великим об’єктом Меркурій втратив більшу частину своєї кори і мантії, які віднесло в космос. Альтернативне пояснення полягає в тому, що планета сформувалася в уже вкрай збідненій легкими елементами внутрішній частині протопланетного диска.
MESSENGER склав і повну карту поверхні планети. Виявилося, що, крім кратерів, вона вкрита численними уступами, що простираються на сотні кілометрів поверхні. Вони виникли через те, що планета буквально стискається. Причина криється в поступовому охолодженні її надр. Через це кора Меркурія розтріскується, і її краї наповзають один на одного. За останні 4 млрд років загальна площа поверхні Меркурія зменшилася на 1%, що можна порівняти з площею Туреччини. Процес стиснення триває до сьогодні.
Інше цікаве відкриття було пов’язане з будовою ядра. Раніше планетологи вважали, що воно тверде. Але аналіз нових даних змусив їх переглянути цю концепцію на користь розплавленого ядра. Як така маленька планета примудряється зберігати рідке ядро, ще залишається предметом наукових дискусій.
Messenger зумів провести і точні вимірювання температури поверхні Меркурія. Вдень вона нагрівається до +427 °C, вночі остигає до −173 °C. Таким чином, хоча Меркурій і не найгарячіша планета Сонячної системи (цей титул належить Венері), він є планетою з найбільшими температурними перепадами.
Зонд також з’ясував природу загадкових областей на полюсах планети. Всупереч усім сумнівам скептиків виявилося, що Меркурій справді має великі поклади водяного льоду на дні полярних кратерів, які ніколи не висвітлюються Сонцем.
Місія MESSENGER завершилась у 2015 році. Після того як апарат вичерпав запаси палива, під дією сонячного вітру він зійшов з орбіти, ставши першим зробленим руками людини об’єктом, що досяг поверхні цієї планети.
Майбутні місії до Меркурія
Апарат MESSENGER постарався на славу, зібравши безліч даних про Меркурій. Але все ж таки йому не вдалося розкрити всі загадки першої планети. На радість вчених, незабаром у них з’явиться новий шанс отримати відповіді на запитання, що їх цікавлять.
У 2018 році Європейське космічне агентство (ESA) запустило першу у своїй історії місію до Меркурія, яка зветься BepiColombo. Станція складається з трьох основних частин: перелітного модуля та двох зондів, один з яких побудований безпосередньо самим ESA, а другий — Японським аерокосмічним агентством.
Як і MESSENGER, щоб вийти на постійну орбіту навколо планети, на BepiColombo чекає тривала подорож, що охоплює відразу дев’ять гравітаційних маневрів — поблизу Землі, Венери та Меркурія. На цей момент апарат подолав трохи більше половини шляху. Якщо все станеться, як заплановано, у грудні 2025 року він досягне своєї мети.
Після виходу на орбіту навколо планети європейський і японський зонди відокремляться від перелітного модуля і почнуть виконувати свої завдання. Наукова програма місії містить інтенсивне вивчення геології Меркурія, його магнітного поля, картографування покладів водяного льоду, а також вимірювання з метою додаткової перевірки положень ЗТВ. Вчені сподіваються, що дані BepiColombo дозволять знайти остаточну відповідь на питання про внутрішню будову Меркурія та природу його ядра. Також їх цікавить, чи продовжується на планеті тектонічна активність. Крім того, Меркурій є найближчим доступним нам аналогом низки екзопланет, орбіти яких проходять на невеликій відстані від своїх зір. Результати спостережень MESSENGER допоможуть вченим краще розуміти природу таких світів.
Зараз у космічних агентств немає формальних планів щодо відправлення до Меркурія нових апаратів. Найімовірніше, мине багато років, до того як першу планету відвідає наступна після BepiColombo місія. Але в більш далекій перспективі, коли людство почне повноцінне освоєння Сонячної системи, Меркурій може почати відігравати важливу роль. Наявність покладів водяного льоду на полюсах полегшує завдання створення на ньому постійних поселень. Не варто забувати і про те, що планета має магнітне поле, яке затримує істотну частину сонячного вітру і космічних променів, значно знижуючи рівень радіації на поверхні.
Але навіщо людству в принципі освоювати Меркурій? Відповідь на це запитання — енергетика. Меркурій отримує набагато більше енергії від Сонця, ніж Земля. Її можна було б збирати за допомогою сонячних електростанцій і потім експортувати на інші планети. Другий варіант — використання цієї енергії для розгону оснащених сонячним вітрилом космічних кораблів.
Ще один важливий ресурс Меркурія — гелій-3, який зараз називається багатьма вченими своєрідною Меккою термоядерної енергетики майбутнього. Як правило, цей елемент згадується у контексті проєктів його комерційного видобутку на Місяці. Однак вміст гелію-3 на поверхні Меркурія набагато вищий, ніж на супутнику нашої планети, що робить його дуже привабливою метою для промислової розробки. Так що, хоча зараз Меркурій і залишається “в тіні” космічних досліджень, усе це може змінитися в нехай і не дуже близькому, проте водночас не такому вже й далекому майбутньому.
