Минулого серпня марсохід Perseverance, дивлячись угору з краю давньої річкової дельти на Марсі, помітив своїм електронним оком довгасту тінь, що пливла диском далекого сяйливого Сонця. Це Фобос, марсіанський супутник, названий на честь грецького бога страху й паніки, проходив сонячним диском. Він замалий, щоб затьмарити бліде, присипане пилом небо, але обертається досить близько до планети, щоб закрити чималу частину Сонця. Увесь прохід забрав менш ніж хвилину.
Крихітний супутник із туманним походженням лишається загадкою, а його склад та історія могли б багато розповісти і про Марс, і про Сонячну систему загалом. Тепер цю загадку взялася розгадати міжнародна місія Martian Moons eXploration (MMX), яка успішно стартувала 20 жовтня. Вона спробує здійснити безпрецедентну серію посадок на ніким не досліджену поверхню Фобоса.
Місія ставить незвичні задачі. Наприклад, треба було розрахувати орбіту, щоб вивчати супутник із мікрогравітацією, який сам обертається навколо значно більшої планети. Інженерам також довелося придумати, як дослідити цю купу пухко зібраних ґрунту й каміння з мізерною гравітацією і як на неї сісти, як по ній їздитиме ровер і як апарат візьме зразки та доставить їх на Землю.
«Я часто кажу, що сісти на Фобос – це наче посадити повітряну кульку, – каже Ясухіро Кавакацу, керівник проєкту MMX у Японському агентстві аерокосмічних досліджень (JAXA). – Дуже складно опустити кульку на землю так, щоб вона не нахилилася й не відскочила».
Чому Фобос такий дивний супутник
Фобос – один із двох маленьких супутників Марса; другий, Деймос, названо на честь грецького бога жаху й страхіття. Їхнє космічне походження невідоме, хоча є дві головні теорії. Згідно з першою, обидва супутники колись були астероїдами з поясу між Марсом і Юпітером, які захопила гравітація меншої з двох планет. Згідно з другою, Фобос і Деймос утворилися, коли в Марс урізалося велике небесне тіло й викинуло уламки на орбіту. Деякі моделі припускають, що ця пара – останні вцілілі з цілого рою супутників.
З наукового погляду Фобос вважають «купою щебеню» – пухким скупченням каміння й пилу. Він надто малий, щоб власна маса стягнула його в кулю, тож має форму горбкуватої картоплини завдовжки приблизно 27 кілометрів, а гравітація на ньому становить лише 1/1800 земної. Доросла людина важила б там приблизно стільки ж, скільки тенісний м’ячик на Землі.
MMX готували понад десять років. Місія стартувала 20 жовтня за місцевим часом на флагманській японській ракеті H3 з космодрому Танеґасіма. До Марса апарат долетить 2027 року. На борту – наукові прилади від кількох космічних агентств, зокрема NASA, а також новий ровер Idefix, який французьке та німецьке космічні агентства (CNES і DLR) створили разом із JAXA.
MMX складається з трьох модулів. Руховий модуль має доправити апарат до Марса й загальмувати, щоб вийти на орбіту навколо Червоної планети. Дослідницький модуль несе ровер, обладнання для забору зразків та інші наукові інструменти. До нього приєднано модуль повернення з капсулою, якій судилося на великій швидкості ввійти в атмосферу Землі. Зібравши зразки на Фобосі, дослідницький модуль і модуль повернення злетять разом. Потім дослідницький модуль відокремиться, а модуль повернення візьме курс додому.
Якщо все піде за планом, MMX доставить на Землю 10 грамів зразків у другій половині 2031 року. Але на шляху до цієї мети місію чекає низка грізних випробувань: складні орбіти навколо Фобоса і посадка на його поверхню в умовах, коли Марс періодично перекриває зв’язок із Землею.
«Це найскладніша місія з усіх, які я бачив», – каже Патрік Мішель, директор із досліджень у CNRS (Національному центрі наукових досліджень Франції) і співкерівник наукової програми Idefix.
Як MMX обертатиметься навколо Фобоса
Щойно MMX вийшов на низьку навколоземну орбіту, увімкнувся двигун рухового модуля, і почався майже річний переліт до Марса крізь далекий космос. Після прибуття апарату доведеться виконати тривалий, точно розрахований за часом імпульс, щоб загальмувати достатньо для захоплення марсіанською гравітацією. Потім руховий модуль відокремиться, і на орбіті Марса залишаться дослідницький модуль і модуль повернення.
«Якщо щось піде не за планом, MMX пролетить повз Марс, і його викине у Сонячну систему», – каже Нікола Барезі, фахівець з астродинаміки і співавтор статті про спеціально розроблені для MMX орбіти.
З початкової орбіти MMX перейде на спеціально розраховану квазісупутникову орбіту, яка дає змогу триматися поруч із маленьким супутником і водночас рухатися навколо нього. Фобос замалий, щоб обертатися навколо нього у звичному сенсі, тож апарат кружлятиме навколо Марса разом із ним, рухаючись хитромудрою яйцеподібною траєкторією, яка по черзі виносить MMX то попереду супутника, то позаду. «Коли ви ближче до Марса, ви прискорюєтеся відносно Фобоса, а коли далі від Марса – сповільнюєтеся. Тож по суті ви ходите туди-сюди», – пояснює Барезі.
Маневри біля Марса. Щоб дістатися Фобоса, MMX виконає три основні маневри: MOI-1 виведе апарат на орбіту навколо Марса, MOI-2 переведе його в бік Фобоса, а MOI-3 поставить на остаточну орбіту поруч із супутником. Джерело: Кріс Філпот
Найкращі наявні знімки Фобоса, зроблені такими апаратами, як Mars Reconnaissance Orbiter від NASA і Mars Express від ESA, мають роздільність лише кілька метрів на піксель. Це більше за розмір самого ровера Idefix, завбільшки приблизно з мікрохвильову піч. Щоб докладніше нанести поверхню на карту, MMX кружлятиме перед Фобосом і позаду нього на відстані від 200 до менш ніж 20 кілометрів від поверхні.
Протягом дворічної кампанії дистанційного зондування дослідницький модуль за допомогою кількох камер і лазерного альтиметра складатиме карту поверхні з високою роздільністю й шукатиме можливі місця посадки. Коли Марс, якщо дивитися із Землі, зайде за Сонце і зв’язок зникне приблизно на два тижні, MMX відступить на вищу стабільну орбіту. Після відновлення зв’язку апарат готуватиметься відправити на поверхню першого гостя.
Ровер Idefix: «перший пінгвін»
Перш ніж дослідницький модуль разом із приєднаним модулем повернення спробують сісти, MMX відправить розвідника, якого японською, за словами Кавакацу, називають «першим пінгвіном» – тим, хто першим стрибає в незнайомі води. У цій місії першим стрибне ровер Idefix, названий на честь песика Ідефікса, вірного супутника Обелікса з французьких коміксів про Астерікса. Дослідницький модуль скине ровер під час низького прольоту на висоті від 40 до 100 метрів над поверхнею Фобоса 2028-го або на початку 2029 року.
Це буде напружений момент, що нагадає 2005 рік і японську місію Hayabusa до астероїда Ітокава. Тоді за схожою схемою з орбітального апарата скинули ровер MINERVA, але помилково – з висоти 200 метрів замість запланованих 70. Ровер не влучив в астероїд і, не маючи власного двигуна, полетів у далекий космос.
Idefix дістане легкий поштовх від дослідницького модуля в бік цілі з майже нульовою гравітацією і падатиме вільно, найімовірніше, перекидаючись у польоті. Очікується, що він торкнеться поверхні на швидкості менш ніж 1 метр на секунду. На відміну від роверів, які сідали на інші небесні тіла з подушками безпеки чи спеціальними посадковими опорами, Idefix приземлиться без захисту, якщо не рахувати додаткових накладок на сонячних панелях, адже вони критично важливі. Ледь відчутна гравітація Фобоса має дозволити 23-кілограмовому роверу м’яко сісти, хоча передбачити, як саме пройде посадка, важко.
«Він, мабуть, кілька разів відскочить, – каже Штефан Уламец, співкерівник наукової програми Idefix і керівник проєкту в DLR. – І якось зупиниться в якомусь положенні». Щойно ровер завмре, чотири складені ніжки розкриються й автономно перевернуть його в робоче положення, хоч би як він ліг. Потім він розгорне сонячні панелі, щоб зарядити акумулятори для подальшої роботи.
Почавши роботу, Idefix повзтиме зі швидкістю равлика – щонайбільше міліметр на секунду. Його металеві колеса мають виступні лопаті, як у гребного колеса: так вони краще чіплятимуться за ґрунт у мікрогравітації Фобоса. «Якби ми вели ровер швидше, він радше плив би крізь поверхню, ніж їхав нею», – каже Сесілі Сандей, аспірантка, яка випробовує камери WheelCam ровера Idefix у Вищому інституті аеронавтики та космосу (ISAE-Supaéro) в Тулузі, Франція.
WheelCam – це пара камер на днищі ровера, які спостерігатимуть за колесами та їхніми слідами під час основної місії Idefix, розрахованої на 100 земних діб. Знімки допоможуть дослідникам вивчити розмір і розподіл зерен у реголіті Фобоса та те, наскільки вони зчеплені між собою. Від того, як сильно чи слабко злипаються зерна, значною мірою залежатиме рух Idefix. Сандей порівнює це з різницею між їздою сухим і мокрим піском. «Спробуйте збудувати замок із сухого піску, – каже вона. – Нічого не вийде. Додайте води – і раптом усе виходить».
Команда випробувала дев’ятилопатеві колеса ровера на різних матеріалах: на імітаторах реголіту Фобоса від JAXA і DLR, імітаторах місячного ґрунту, скляних кульках, кварцовому піску та керамзиті. «Ми точно визначаємо механічні властивості кожного імітатора, а потім проводимо випробування на всьому спектрі – з різним розміром зерен, їхньою кутастістю і навіть кольором, – щоб те, що ми побачимо на знімках WheelCam, можна було зіставити з реальними властивостями поверхні», – розповідає Сандей.
Попри мікрогравітацію і те, що Фобос – купа щебеню, Сандей вважає, що земні випробування досить добре відтворюють рух ровера поверхнею маленького супутника. Знижена гравітація Фобоса зменшує ефективну вагу ровера, але водночас слабшає й тиск між зернами під його колесами. «Якщо рухатися дуже-дуже повільно, з тими самими матеріалами й тією ж вагою системи, результати мають бути показовими», – каже Сандей.
Взаємодія Idefix зі своїм новим домом дасть «субміліметрову роздільність та інформацію про пористість, розмір зерен, міцність поверхні, про те, наскільки твердий матеріал», – каже Уламец. «Це заповнює прогалину між дистанційними спостереженнями з орбіти й детальним вивченням повернених зразків уже на Землі».
Те, що Idefix знайде в цьому кам’янистому, нерівному світі, допоможе вирішити, як і де JAXA спробує посадити основний апарат. За словами Мішеля, посадка ровера дасть «наземну правду» для розуміння Фобоса. Коли апарат NASA OSIRIS-REx торкнувся астероїда Бенну, щоб узяти зразок, його маніпулятор несподівано занурився в пухкий матеріал майже на пів метра. Але Уламец не думає, що Idefix глибоко загрузне у Фобосі: Бенну зовсім інший і значно менший, лише 500 метрів у діаметрі.
Як MMX сідатиме й збиратиме зразки
Коли Idefix дослідить поверхню, MMX зіткнеться з ще складнішим завданням – посадити на Фобос свій значно більший дослідницький модуль. Апарат виконає кероване зниження приблизно до 10 метрів над поверхнею, а решту відстані пролетить у вільному падінні. Гравітація тут така слабка, що навіть незначний бічний рух може перекинути посадковий апарат або змусити його відскочити. Вдала посадка у вертикальному положенні відкриє до двох годин перебування на Фобосі для вирішальної фази – забору зразків.
Місія MMX спирається на досвід і технології двох японських місій Hayabusa з доставки зразків, які сідали на астероїди Ітокава і Рюґу. Але рухомих частин у цій місії значно більше. Дослідницький модуль MMX матиме два пробовідбірники: керновий, розроблений JAXA, і пневматичний, наданий NASA й виготовлений компанією Honeybee Robotics – дочірньою компанією Blue Origin. Дані цих інструментів, а також приладів ровера Idefix, можуть дати відповіді на питання про походження Фобоса й еволюцію всієї марсіанської системи.
Керновий пробовідбірник складається з роботизованої руки та циліндричного бура, розрахованого на занурення щонайменше на 2 сантиметри під поверхню. Рука може маневрувати, щоб знайти найкраще місце для буріння. «Уже це саме по собі виклик, бо ми ніколи такого не робили, – каже Мішель. – Ніколи не знаєш, що може статися просто на місці забору зразків: там може опинитися валун, і рука не зможе рухатися».
Зазирнути під верхній шар важливо, бо поверхню побили й вивітрили сонячне випромінювання, галактичні космічні промені та мікрометеорити. Матеріал глибше має краще зберігати свідчення про походження супутника, і JAXA прагне зібрати щонайменше 10 грамів такого матеріалу.
Пневматичний пробовідбірник працює інакше. Закріплений на одній з опор посадкового апарата, він вдуватиме в ґрунт чистий інертний азот і вловлюватиме підняті зерна. Цей зразок може пролити світло на зміни, яких Марс та його супутники зазнали з часом. Дві системи також страхують одна одну, адже Фобос сповнений невідомих. «Якщо поверхня Фобоса виявиться дуже твердою, [керновому пробовідбірнику] може бути важко її пробити. [Пневматичний пробовідбірник] такої проблеми не матиме і все одно зможе зібрати матеріал», – каже Кавакацу.
Одна з найзахопливіших можливостей MMX – шанс додатково зібрати речовину з планети під ним. Найімовірніше, Фобос усіяний марсіанськими викидами, які падіння метеоритів вибили в космос, тож MMX може вперше доставити на Землю зразки Марса. Мішель вважає, що серед зразків може бути «кілька сотень зерен, які походять із Марса». Відрізнити їх від власної речовини Фобоса вчені зможуть за ізотопами кисню.
Ця можливість порушує питання планетарного захисту. Місія з прямої доставки зразків з Марса мала б дотримуватися суворих правил, щоб потенційно живий біологічний матеріал з Марса не забруднив Землю. Але до MMX ці протоколи не застосовуються, навіть якщо в її зразок потраплять зерна марсіанського ґрунту. Група експертів дійшла висновку, що жоден мікроб, вибитий із Марса, не пережив би бурхливого удару й викиду чи інтенсивного опромінення дорогою до Фобоса. Це звільнило MMX від дорогих і тривалих карантинних процедур та заходів ізоляції для зразків, що повертаються.
Під час короткої роботи на поверхні роботизована рука перекладе зразки до сховища, звідки їх перемістять у капсулу на борту модуля повернення й герметично запечатають у вакуумі. Після цього – зліт.
Повернувшись на орбіту Марса, дослідницький модуль відновить спостереження Фобоса і кілька разів пролетить повз Деймос, інший крихітний супутник Марса, щоб зібрати дані про його поверхню, будову й склад. У листопаді 2030 року, коли Марс і Земля розташуються вдало, MMX вирушить у зворотну дорогу. Модуль повернення відокремиться від дослідницького модуля й сам понесе себе додому з однією-єдиною метою – доставити на Землю пил Фобоса.
Нарешті 2031 року капсула зі зразками діаметром 60 сантиметрів увійде в атмосферу Землі на швидкості приблизно 12 кілометрів на секунду. Якщо вона витримає пекельний жар входу в атмосферу й благополучно приземлиться в Австралії, науковці почнуть розплутувати підказки про Фобос і ранню Сонячну систему. Зразки прийме й зберігатиме Інститут космічних і астронавтичних наук JAXA, а частину передадуть партнерам місії.
«У нас є макромасштабні вимірювання з апарата, мікромасштабні – з ровера, а потім ще й аналіз зразків, – каже Мішель. – Тож ми можемо пов’язати всі три масштаби між собою, бо маємо їх усі». Те, що дадуть орбітальні знімки, великі плани реголіту й хімічний аналіз зразків, може мати ширше значення для нашого розуміння Сонячної системи.
«MMX – це місія, яка має допомогти зрозуміти марсіанську систему й пролити світло на те, як на кам’янистих планетах на кшталт Землі, а можливо, і Марса, виникає придатне для життя середовище, – каже Кавакацу. – Ми маємо вагомі підстави вважати, що область кам’янистих планет сформувалася сухою, а вода й органічні речовини потрапили всередину з багатої на лід зовнішньої Сонячної системи». Марс, за його словами, стоїть на межі між внутрішньою та зовнішньою Сонячною системою, тому його супутники – цінні свідки процесів, які сформували потенційно придатні для життя світи.
За авторством Ендрю Джонса