«Наука в СССР» 1986 №4

Кандидат физико-математических наук В.М.БАЛЕБАНОВ - специалист в области космического приборостроения, заместитель директора Института космических исследований АН СССР, лауреат Государственной премии СССР

Кандидат физико-математических наук А. В. ЗАХАРОВ - специалист в области физики плазмы, ученый секретарь того же института

Кандидат физико-математических наук В.М.ЛИНКИН - специалист в области планетных исследований, заведующий лабораторией того же института

Впервые предположение о существовании у Марса спутников высказал И. Кеплер в сочинении "Разговор со звездным вестником", вышедшем в 1610 году: "Я далек от мысли усомниться в своей правоте... там, где речь идет о четырех лунах Юпитера. Но я предпочел бы вместо этого зрительную трубу, в которой превзошел бы тебя, открыв две (как того требует, на мой взгляд, пропорция) луны у Марса..."

Прошло более двух с половиной столетий, прежде чем это предположение подтвердилось.

Обнаруженные в 1877 году марсианские луны назвали "Фобос" (Страх) и "Деймос" (Ужас) по древнегреческим именам спутников бога войны Марса. Долгое время ученые не располагали о них практически никакими сведениями. Наземные наблюдения не позволяли определить даже массу и размеры малых небесных тел. Лишь с появлением космических аппаратов удалось выяснить их основные характеристики, получить первые изображения в нескольких областях спектра, провести некоторые измерения. Те немногие данные, которые были собраны, подтверждали: Фобос удивительный, интереснейший объект исследований.

Размеры спутника достигают 27 км в поперечнике. Его масса оказалась в полтора раза меньше ожидавшейся — примерно 1,5-10^-8 массы Марса, плотность — 2 г/см³. Значит, Фобос не может состоять из переплавленных вулканическими процессами пород, слагающих кору и мантию планет земной группы. Его плотность характерна для углистых хондритов (известного типа метеоритов), напоминающих вещество так называемых С-астероидов.

В последнее время ученые установили: в кольцо астероидов входят разные по составу объекты. В его внутренней, ближней к нам зоне преобладают S-астероиды, похожие на обыкновенные хондриты — наиболее распространенный тип силикатных метеоритов (из подобного вещества сложены Земля и Луна). К внешнему краю растет концентрация С-астероидов. К ним, по одной из версий, относятся и спутники Марса.

Обращаются они вокруг планеты по синхронным орбитам, т.е. повернуты к ней всегда одной и той же стороной. Первая теория их движения была создана еще в 1911 году Г.В. Струве, сыном известного русского астронома, основателя и директора Пулковской обсерватории В.Я. Струве. На основе анализа наблюдений, проведенных с 1877 по 1909 год, он рассчитал элементы орбит, позволяющие и сегодня хорошо прогнозировать положения спутников при наземных исследованиях.

Из-за гравитационного воздействия Марса Фобос постепенно приближается к планете и, по оценкам специалистов, должен упасть на нее через 30-70 млн. лет.

Как же попали малые тела на околомарсианские орбиты? Предположений много. Захват только за счет сил притяжения маловероятен, поскольку Фобос и Деймос формировались далеко от планеты. Существует версия, объясняющая факт их появления столкновениями первичных небесных тел — планетезималей - с околопланетными туманностями, образовавшимися на одном из этапов эволюции Солнечной системы. Согласно другому предположению, спутники захвачены протоатмосферой Марса, которая была в 10⁴-10⁵ массивнее современной. Не исключен и залет астероидов в окрестности планеты под действием возмущения, которое оказывали на кольцо астероидов пролетавшие тела, образовавшиеся в зоне Юпитера.

Природа марсианских спутников еще во многом необъяснима. Скажем, почему Марс захватил именно С-астероиды, находящиеся в дальней области кольца, а не более "доступные" S-астероиды?

В ландшафте Фобоса также немало загадочного. Его поверхность испещрена кратерами ударного происхождения (спутники слишком малы для зарождения в их недрах вулканической активности). Крупнейший кратер Стикни имеет диаметр 10 км - более трети поперечника всего небесного тела. Видимо, его породил сильнейший удар, вызвавший и растрескивание всего Фобоса. От кратера Стикни расходятся удивительные образования — множество почти прямых и примерно параллельных борозд шириной 400-600 и глубиной 60-90 м. Есть несколько объяснений их возникновения, но ни одно из них не выглядит убедительным из-за явного недостатка информации.

Формирование поверхности спутников происходило под воздействием интенсивной бомбардировки метеоритными телами. Поэтому реголит — поверхностный слой грунта на Фобосе — претерпел значительную переработку. Его изучение позволило бы представить эволюцию тел Солнечной системы.

Вопросы, которых мы коснулись, не исчерпывают весь круг фундаментальных проблем, связанных с марсианскими спутниками и малыми телами Солнечной системы вообще. Конечно, ученые не рассчитывают получить на них четкие, однозначные ответы на основании материалов, собранных в ходе одной экспедиции. Но проект "Фобос" станет первым шагом в глубоком познании обширного класса космических объектов.

Схема перелета космического аппарата к Фобосу. В центре схемы - Солнце, кружочками со стрелкой обозначен Марс; кружочками, перечеркнутыми внутри, - Земля.

ПО СЛЕДАМ... ПРЕДСТОЯЩЕЙ ЭКСПЕДИЦИИ

Начало миссии запланировано на середину 1988 года. Время выбрано не случайно. Раз в два года при противостоянии Земля находится на прямой, соединяющей Марс с Солнцем. 1988 год — наиболее благоприятный для того, чтобы аппарат попал на орбиту Марса в плоскости орбиты Фобоса. Примерно 200 дней понадобится для достижения окрестностей планеты с выходом на первую эллиптическую орбиту вокруг Марса. Но до основной цели экспедиции — Фобоса — будет еще далеко. Потребуется затратить несколько недель или даже месяцев, чтобы изменить траекторию полета аппарата с тем, чтобы она практически совпала с орбитой Фобоса. Ведь планируется такой маневр, как пролет над поверхностью спутника Марса на высоте несколько десятков метров. А совершить его можно только тогда, когда спутник и аппарат будут вращаться вокруг Марса синхронно.

Скорость движения "пришельца" относительно поверхности окажется при этом всего 2-5 м/с (немного большей, чем у пешеходов). Пролет над Фобосом займет около 20 мин и станет тем кульминационным событием, ради которого готовится экспедиция.

Какова же программа исследований марсианского спутника? Ее основой станет активное дистанционное зондирование поверхности. Впервые за всю историю планетных экспериментов предполагается изучить массовый и изотопный состав грунта небесного тела с помощью лазера и потоков ионов.

В эксперименте "Лима" лазерный луч с энергией около джоуля, сфокусированный на поверхности Фобоса до диаметра 1 мм, в течение очень короткого времени (10^-8 с) вызовет взрывоподобное испарение и ионизацию вещества. Образовавшиеся ионы разлетятся, и часть из них попадет в специальный прибор, установленный на космическом аппарате. Здесь будет анализироваться их массовый состав по времени пролета частиц от поверхности Фобоса до "ловушки" на борту.

Зондирующими элементами в эксперименте "Дион" станут ускоренные до 2-3 килоэлектронвольт ионы криптона, испускаемые ионной "пушкой". Они выбьют с поверхностного слоя грунта вторичные ионы. Их зарегистрирует на борту космического аппарата масс-спектрометр. Приборы зафиксируют также вторичные ионы, образовавшиеся под воздействием естественного ионного потока — солнечного ветра.

За время пролета над поверхностью Фобоса этими методами будет проанализирован грунт примерно в ста точках.

Эксперименты "Лима" и "Дион" относятся пока к разряду экзотических. В планетологической же программе, предусмотренной в рамках проекта "Фобос", не обойтись и без традиционных методов. Прежде всего, это телевизионная съемка поверхности. Ученые надеются получить цветные изображения. На фотографиях станут различимы детали размерами в несколько сантиметров. Изображения и спектрограммы дадут возможность составить карту поверхности спутника.

Поворотное зеркало направит объективы не только на Фобос, но и на Марс и на наиболее яркие звезды. Это очень важно для решения задач навигации. В частности, телевизионная аппаратура поможет системе управления оптимально скорректировать траекторию движения космического аппарата для встречи с Фобосом.

Из других, так сказать, обычных методов хочется отметить инфракрасную и гамма-спектроскопию. Первая позволяет судить о теплофизических и отражательных свойствах поверхности, о минералогическом составе. Вторая предназначена для анализа основных породообразующих элементов — железа, кремния, алюминия, кальция, магния и др., а также естественных радиоактивных элементов— урана, тория, калия; их относительное содержание является хорошим источником информации о тепловой истории небесного тела.

Эксперименты по лазерному и ионному зондированию марсианского спутника - кульминационный момент предстоящей миссии. Эксперимент "Лима" (слева) предусматривает изучение массового состава грунта Фобоса с помощью лазерного луча. Массовый и изотопный состав грунта будет исследоваться и в ходе эксперимента "Дион", предусматривающего зондирование Фобоса ускоренными ионами криптона.

С помощью специального радиолокационного комплекса предполагается осуществить также эксперимент по исследованию рельефа Фобоса, его внутренней структуры и электрофизических характеристик грунта методом импульсного радиозондирования.

Благодаря дистанционным методам мы рассчитываем получить данные о ландшафте Фобоса, освещенном Солнцем в момент пролета космического аппарата. Но космические объекты, особенно такие мало известные, как марсианские спутники, хочется "потрогать", прикоснуться к ним. Проект "Фобос" предусматривает и эту возможность.

Во время пролета отделится спускаемый аппарат для изучения тела, в частности, контактными методами непосредственно на его поверхности. Сейчас разрабатываются два варианта посадочных станций, принципиально отличных друг от друга.

Один из вариантов — долгоживущая станция. Когда орбитально-пролетный аппарат приблизится к поверхности Фобоса на несколько десятков метров, от него отделится долгоживущая автономная станция (ДАС) и медленно начнет приближаться к марсианскому спутнику. Коснувшись его, выступающие контактные датчики выдадут команду "закрепиться на поверхности". Так как на Фобосе сила тяжести в тысячу раз меньше земной, необходимо механически закрепить ДАС, чтобы она сохранила правильное положение — посадочной плитой вниз. Для этого используется устройство причаливания — выстреливающее гарпунное ружье. Из него вылетит напоминающий якорь гарпун-пенетратор. В мягком сыпучем грунте он сможет углубиться максимум на 10 м, в песчанике — на полметра.

Пенетратор механически связан со станцией гибким тросиком, который подтянет и прижмет ДАС к поверхности Фобоса.

Не исключено, что во время посадки станции поднимется пыль. Поэтому элементы солнечных батарей раскроются с некоторой задержкой во избежание их загрязнения. Основная платформа с аппаратурой поднимется над поверхностью на 80 см, расправятся три лепестка солнечных батарей, и по сигналам оптического датчика произойдет их наведение на Солнце. В таком положении панели будут работать в течение двух месяцев, а затем наведение повторится. Это необходимо, во-первых, для того, чтобы станция получала достаточно электроэнергии, и, во-вторых, нужно точно направить приемные и передающие радиоантенны на Землю. Последние закреплены на ДАС вместе с солнечными панелями.

Планируется каждые сутки (их продолжительность на Фобосе 7 ч 40 мин) осуществлять сеанс связи с Землей. Во время сеанса должна передаваться либо телеметрическая информация, либо будут проводиться прецизионные измерения расстояния и скорости между ДАС и наземной приемно-передающей антенной.

Для управления всеми приборами предназначен микропроцессорный блок. В его функции входит также предварительная обработка собранной научной информации перед передачей на Землю.

В первые часы на Фобосе предстоит определить химический состав и физические характеристики грунта в месте посадки, с помощью фототелевизионного устройства предполагается различить микроструктуру грунта и детали поверхности.

В задачи посадочной станции входят и исследования в области небесной механики. Основным "инструментом" для реализации этой части программы станет радиопередатчик. Его сигналы зафиксируют большие наземные радиотелескопы. В результате можно уточнить положение Фобоса как в системе координат, связанной с Землей, так и относительно квазаров — наиболее удаленных радиоисточников во Вселенной, что необходимо для уточнения астрономической единицы*, расчета величины векового изменения орбиты Фобоса и т.д. Датчик точного направления на Солнце даст информацию о вибрации марсианского спутника — колебаниях его относительно собственного центра масс.

* Астрономическая единица - единица расстояния, равная среднему расстоянию Земли от Солнца - 149,6 млн. км (прим. ред.).

Другой вариант посадочной станции также позволит получить сведения о химическом составе и физических характеристиках грунта Фобоса. Отличительной особенностью модификации будет способность перескакивать по поверхности спутника и изучать ее характеристики в нескольких местах. Аппарат сферической формы, снабженный так называемыми "усами" ориентирования, совершив очередной прыжок, развернется в нужном направлении и "сядет" правильно.

У каждого варианта свои преимущества: длительное время "жизни" и большое количество научной аппаратуры — у первого, способность передвигаться по поверхности — у второго. В ближайшее время ученые и конструкторы решат, какой из разрабатываемых аппаратов примет участие в космической экспедиции.

ТАЙНЫ "КРАСНОЙ ПЛАНЕТЫ"

Вспомним: до сближения с Фобосом космический аппарат несколько месяцев будет находиться на орбите Марса. Это время в программе отводится изучению его поверхности, атмосферы, окружающей плазменной оболочки — магнитосферы.

За последние 20 лет предпринималось 16 попыток разгадать тайны Марса. Специалисты располагают сегодня большим объемом информации о "красной планете". Снимки ее панорамы, доставленные на Землю, впечатляющи. Поверхность Mapса образовалась в результате бомбардировки метеоритами, вулканической и тектонической активности, действия ветров и потоков воды... Отсюда и разнообразие геологических форм на планете.



Один из разрабатываемых вариантов посадочного аппарата, которому предстоит вести исследования на поверхности Фобоса.

В первую очередь хотелось бы сказать о кратерах. Распределены они по поверхности неравномерно. Большинство крупных, диаметром более 10 км; в Южном полушарии появились, вероятно, на раннем этапе формирования Марса, в период интенсивной бомбардировки метеоритами. Огромное впечатление производит бассейн кратера Hellas, достигающий 2 тыс. км в поперечнике и 4 км в глубину. Почти все подобные образования Северного полушария — более позднего происхождения. Значительная их часть залита в последующие геологические эпохи лавой.

Завораживают громадные вулканы Марса. Самый большой из них Olympus Mons поднимается примерно на 24 км над поверхностью — в три раза выше Эвереста.

Не имеют себе равных в Солнечной системе и величественные марсианские каньоны. Один и них — Долина Маринер — имеет длину около 4000 км, ширину 200 и глубину 6 км.

С помощью космических аппаратов удалось измерить параметры атмосферы Марса. Она состоит в основном из углекислого газа (95% всего объема), азота, аргона, кислорода и сильно разряжена. Среднее давление у поверхности планеты — всего 6 миллибар, почти в 160 раз меньше, чем на Земле.

До сих пор одним из интереснейших и спорных вопросов остается вопрос о содержании в марсианской атмосфере водного пара. В конечном счете он связан с проблемой возможного существования жизни на планете. Данные, доставленные различными космическими аппаратами, довольно сильно отличаются. По одним оценкам, толщина условного слоя воды достигает всего 10-20 микрон, по другим — почти на порядок больше.

На многих фотографиях видны следы водной эрозии на поверхности Марса, русла и извилистые долины некогда исчезнувших рек с развитыми ветвистыми узорами притоков. Несмотря на то, что в далеком прошлом

Помимо Фобоса объектами исследований в рамках многоцелевого проекта станут Марс, Солнце и межпланетное пространство. Фотография Солнца в рентгеновском диапазоне получена 20 октября 1983 года с помощью зеркального телескопа Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР и Астрономического института АН УССР. Видны несколько активных областей вдоль солнечного экватора.

воды в атмосфере Марса было больше, маловероятно наличие на планете постоянных рек. Правдоподобнее звучит предположение о внезапных наводнениях из-за прорыва подповерхностных слоев или воды, образовавшейся при таянии полярных шапок.

Какие же результаты надеются получить ученые в ходе планируемой миссии? Будут составлены температурные карты поверхности Марса с пространственным разрешением в несколько километров, проанализирована суточная и сезонная динамика его температурного режима, тепловая инерция грунта. Представляет интерес и поиск участков тепла, идущего из недр планеты, а также районов вечной мерзлоты. Хотелось бы расширить представления и о минералогическом составе грунта. Измерения будут проводиться с помощью того же радиометрического спектрального комплекса, что предназначен для исследований поверхности Фобоса. Проект предусматривает и серию экспериментов по изучению атмосферы и ионосферы Марса. В частности, планируется уточнить распределение углекислого газа по высотам, озона, молекулярного кислорода, водяного пара, пыли, изучить профили температуры и давления... Методика измерений основана на спектральном анализе солнечного излучения, прошедшего через атмосферу Марса. Возможно, новые сведения прольют наконец свет на прошлое небесного тела и объяснят причину исчезновения на нем жидкой воды.

Есть и другие фундаментальные проблемы, которые не решены. Например, плазменное окружение "красной планеты" известно гораздо хуже, чем Венеры и Меркурия и даже далеких Юпитера и Сатурна. Остается открытым вопрос и о наличии у Марса собственного магнитного поля. Предыдущие эксперименты дали противоречивые результаты. По-видимому, оно все-таки существует, но настолько слабое, что не препятствует проникновению солнечного ветра в верхние разряженные слои атмосферы.

Для решения этих вопросов на космическом аппарате "Фобос" будет установлен "плазменный комплекс" научной аппаратуры. Особое значение имеет многоплановый характер исследований. Ведь для изучения плазмы недостаточно измерять только потоки частиц. Здесь важно иметь представления и о полях. Поэтому в состав аппаратуры вошли приборы для определения магнитных и электрических полей, изменений их характеристик, вызванных движением заряженных частиц, электромагнитных колебаний, а также приборы для анализа компонентного состава плазмы, пространственных параметров ее движения. Изучение ионосферы Марса предполагается проводить методом импульсного радиозондирования. Радиосигнал, посланный передатчиком космического аппарата, отразится от ионосферы. На какой высоте это произойдет, зависит от его частоты и от концентрации ионосферной плазмы. Высокочастотные сигналы будут возвращаться от более плотных слоев, находящихся на низких высотах. Меняя частоту, можно получить данные о концентрации частиц плазмы в разных слоях ионосферы.

НА ПУТИ К МАРСУ

К выполнению научной программы космический аппарат приступит с первого дня пути. Как мы уже говорили, окрестностей Марса он достигнет приблизительно через 200 дней. А по дороге к основным объектам — Фобосу и Марсу — будут проведены эксперименты по изучению Солнца и межпланетного пространства.

Исследования Солнца, его короны и процессов солнечной активности уже давно ведутся во многих странах. Но они выполнялись в основном с Земли или с ее орбиты. Поэтому каждый проект, предусматривающий изучение звезды под достаточно большим углом (угол Земля-Солнце-космический аппарат), всегда интересен.

После старта "Фобоса" по мере его удаления от Земли угол будет изменяться от 0° до 40°, когда аппарат достигнет Марса, а к концу экспедиции — до 180°. При наблюдениях Солнца одновременно с борта аппарата, с Земли и с околоземных спутников откроется уникальная возможность выяснить "стереоскопическую" структуру хромосферы и короны, а также наблюдать процессы, не видимые в это время с Земли. Надеемся, что такой метод окажется перспективным для прогнозирования солнечной активности, что важно для решения чисто земных проблем.

Что же включает в себя "солнечная программа" экспедиции? Прежде всего, получение изображений Солнца и короны в рентгеновском диапазоне. Одновременные спектральные измерения рентгеновского и гамма-излучения ее активных областей предоставят данные, необходимые для изучения солнечных вспышек и других активных процессов.

Еще один интересный эксперимент связан с внутренней структурой Солнца и процессами, происходящими в его недрах. Речь идет о регистрации солнечных пульсаций, открытых сотрудниками Крымской астрофизической обсерватории АН СССР*. Для этого будут с высокой точностью проводиться длительные непрерывные измерения интенсивности солнечного излучения в оптическом диапазоне. Намеченная трасса перелета очень удобна для таких измерений. Ведь необходимо, чтобы Солнце все время было "перед глазами". Тогда за ним можно следить достаточно долго и делать выводы о периодичности и природе пульсаций. А на трассе перелета Земля-Марс космические аппараты ни разу не попадут в тень.

Проект "Фобос" стал новой ареной сотрудничества ученых Австрии, Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, СССР, ФРГ, Финляндии, Франции, Чехословакии, Швейцарии, Швеции, а также представителей Европейского космического агентства. В работе принимает участие большинство коллективов, сотрудничавших в ходе реализации проекта "Вега"**. Подготовка к уникальной миссии продолжается. Она явится принципиально новым шагом в познании малых небесных тел Солнечной системы.

*См.: З.В. Маркова. Мерное дыхание Солнца. - Наука в СССР, 1984, № 2 (прим. ред.).

**См.: Р.З. Сагдеев, В.М. Балебанов. До встречи с кометой. - Наука в СССР, 1986, № 2 (прим. ред.).

Рисунки из архива ИКИ АН СССР