Прощальное «селфи» с Марса: чем запомнилась программа InSight?

Аппарат InSight – главная геологическая станция НАСА на Марсе – в этом году вероятно завершит свою работу. На прошлой неделе InSight прислал свое прощальное «селфи» – на снимке хорошо виден толстый слой марсианской пыли, покрывший солнечные панели и не позволяющий им вырабатывать достаточное количество энергии.

Вероятно, последнее «селфи» аппарата

Что представляет собой модуль InSight, какие цели преследовала одноименная миссия и чем запомнилась четырехлетняя работа марсианского аппарата?

Конкурс Discovery: исследование Марса, полет к Титану или изучение кометы?

Несмотря на скорое завершение своей космической карьеры, аппарат InSight отправился на Красную планету сравнительно недавно. Его полет к Марсу на борту ракеты Atlas V состоялся в 2018 году, однако этому предшествовало десятилетие разработки самого аппарата.

В 2010 году концепция аппарата была предложена экспертному жюри программы Discovery – инициативы НАСА, в рамках которой перспективные космические проекты могли получить финансирование. В отличие от более масштабных проектов, таких как легендарные программы «Аполлон» или «Шаттл», программа Discovery была готова поддержать лишь узконаправленные научные проекты, которые при этом не требовали больших бюджетов.

Слово InSight можно перевести как «озарение, познание». На самом деле это акроним INterior exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport – т.е. «изучение внутреннего строения [Марса] при помощи анализа сейсмической активности, геодезии и исследования тепловых потоков».

Победителем конкурса и стал проект InSight: ожидалось, что его инструментарий позволит по-новому взглянуть на строение Красной планеты, притом за более скромный бюджет, чем у других марсианских аппаратов, – изначально стоимость создания модуля (без его отправки на Марс) составляла «всего» $425 млн. Хотя финальный бюджет к моменту запуска вырос вдвое (более $800 млн), это все равно намного меньше, чем другие марсианские проекты 2010-х: так, например, стоимость марсоходов Curiosity (2012 год) и Perseverance (2020) составляла около $2,5 млрд каждый.

Ранее мы подробно рассказывали о том, как человечество исследует Марс Гонка на Марс: хроника полетов к Красной планете

Хотя решение жюри, принятое в 2012 году, и подарило НАСА новую марсианскую программу, американское аэрокосмическое ведомство лишилось двух других перспективных проектов, попавших в финал программы Discovery.

Среди финалистов – проект Comet Hopper, предполагавший высадку на комете Виртанена, а также аппарат Titan Mare Explorer, который должен был отправиться в плавание по углеводородным морям Титана, одного из спутников Сатурна. Оба проекта, однако, так и не получили поддержки. При этом с момента отказа от Comet Hopper НАСА так и не одобрило ни одну программу по исследованию комет, а вот от изучения Титана все же не отказалось: есть большая вероятность, что уже в 2027 году к спутнику Сатурна отправится винтокрылый аппарат Dragonfly, запуск которого был одобрен в 2019 году.

Однако и победителя конкурса запустить с первого раза не удалось. В 2016 году НАСА пропустило «окно» запуска из-за неисправности ключевых устройств аппарата, из-за чего полет пришлось перенести. Следующее «окно» появилось лишь два года спустя: в марте 2018 года InSight стартовал с базы Вандерберг, а в ноябре 2018 года успешно приземлился на марсианской равнине Элизий.

NASA запустили космический аппарат InSight

В случае с полетом на Марс важно подгадать нужную дату запуска: лишь раз в полтора-два года Земля оказывается между Солнцем и Марсом, и именно в этот момент путь между двумя планетами минимален и занимает всего семь месяцев.

Охотник за марсотрясениями

НАСА поставило перед аппаратом InSight две главные цели. Во-первых, изучить сейсмическую активность Красной планеты. Во-вторых, дать понимание о процессе формирования Марса, и рассказать о том, как и из чего была сформирована эта планета. Притом речь идет не только о самом Марсе: понимание процессов его геологической эволюции могло бы дать ключ к тому, как формировались другие подобные планеты – Меркурий, Венера и, не в последнюю очередь, Земля.

В чем особенность марсотрясений? Из чего состоит Красная планета? Как исторически происходила гравитационная дифференциация на Марсе – т.е. разделение планеты на ядро, мантию и кору? На эти и другие вопросы должен был ответить InSight.

Для ответа на эти вопросы аппарат снабдили целым научным арсеналом, превратившим 300-килограммовый модуль в настоящую геологическую станцию. Его главным устройством стал дорогостоящий сейсмограф SEIS: его можно увидеть на изображении ниже – он, спрятанный под белой полусферической крышкой, установлен на самой поверхности Марса.

Рядом с сейсмографом установлен HP³ – измеритель тепловых потоков, оснащенный шестиметровым буром. Их установкой на марсианской поверхности занималась механическая «рука», а обеспечением энергии для их бесперебойной работы – две солнечные панели, которые мы видим слева и справа от аппарата. На самом модуле были также установлены несколько камер, метеодатчики, радиоантенны и прибор RISE, цель которого – измерения колебания оси вращения Марса (устройство InSight вы можете детально изучить при помощи 3D-модели аппарата на сайте НАСА).

Аппарат Phoenix

Ближайшим техническим «родственником» аппарата InSight можно назвать станцию Phoenix, совершившую посадку на Марс в 2008 году и в том же году завершившую миссию. Хотя он не располагал таким внушительным геологическим арсеналом каким может похвастаться Insight, за год службы Phoenix выполнил все поставленные задачи – притом настолько удачно, что его конструкция была взята за основу создателями InSight.

Хотя InSight иногда называют марсоходом или ровером, строго говоря, он таковым не является: механизмы аппарата не предусматривают возможность передвижения по поверхности. Однако, это вовсе не недостаток аппарата, а скорее его преимущество: установка чувствительных сейсмографов на корпус самого марсохода могла бы привести к погрешности измерений за счет движения самого ровера, вибрации соседних приборов или ветра.

Эти факторы и стали причиной провала предыдущих аппаратов в попытках измерить сейсмическую активность Марса. Первые марсианские сейсмографы были установлены на аппаратах «Викинг», опустившихся на поверхность Марса в 1976 году. Сейсмограф «Викинг-1» так и не заработал (его не удалось достать из защитного кожуха), а сейсмостанция на «Викинг-2» смогла уловить лишь колебания ветра. Впрочем, миссия «Викинг» оказалась ценна вовсе не неудачными сейсмическими измерениями: помимо прочего, они передали на Землю свыше пятидесяти тысяч фото Марса.

Сейсмограф SEIS под трехслойным защитным кожухом

Приборы InSight превзошли своим функционалом не только сейсмографы «Викингов», но и приборы других, более новых марсианских аппаратов. Так, например, вышеупомянутый HP³ смог пробурить поверхность Марса аж на пять метров: для сравнения, бур ровера Curiosity способен проникать в марсианский грунт лишь на пять сантиметров.

В итоге InSight стал самой оснащенной геологической станцией в истории освоения Марса. Раньше все данные о составе Красной планеты были получены за счет изучения его поверхности – каньонов, вулканов, образцов породы, а также за счет догадок и расчетов ученых. Теперь же ученые впервые получили необходимый арсенал для того, чтобы заглянуть вглубь планеты – и InSight им это позволил.

Что обнаружил InSight?

Первым «подарком» для ученых от InSight стала первая в истории запись марсианского ветра. Сейсмограф – на тот момент еще установленный на корпусе модуля – уловил вибрации, вызванные потоком воздуха. Включите запись ниже (лучше всего ее слушать в наушниках или при помощи сабвуфера) – этот низкочастотный гул и есть порывы марсианского ветра, скорость которых составляла 5-7 м/с.

Запись марсианского ветра, сделанная аппаратом InSight

Однако запись ветра оказалась для ученых скорее приятным бонусом – и вскоре инженеры НАСА при помощи механической «руки» опустили сейсмограф на поверхность планеты для выполнения его прямой функции. Спустя несколько месяцев сейсмограф зафиксировал то, ради чего НАСА отчасти и затеяла миссию InSight, – первое марсотрясение. В НАСА заявили: «Это событие запустило целую новую область знаний – марсианскую сейсмологию!».

Это марсотрясение, случившееся в апреле 2019 года, стало лишь первым в огромном перечне марсианской сейсмической активности, зафиксированной InSight. На 18 мая 2022 года, согласно ответу Лаборатории реактивного движения НАСА журналисту Би-Би-Си в Твиттере, InSight смог зарегистрировать 1313 марсотрясений.

Самым мощным из них стало марсотрясение, зафиксированное совсем недавно, в мае 2022. Колебания магнитудой 5 стали не только самыми мощными из зафиксированных на Марсе, но и сильнейшими из всех подземных толчков, когда-либо наблюдавшихся на другой планете. Таким образом InSight доказал, что сейсмические колебания – вовсе не редкость для Марса.

По центру – сейсмограф SEIS. Слева от него – механическая «рука» и устройство HP3

Но это далеко не все. Марсотрясения дают понимание не только специфики сейсмической активности, но и более фундаментальных понятий: так, сейсмические волны, отраженные от границ геологических «слоев» Марса, позволяют ученым взглянуть на структуру самой планеты.

В июле 2021 года в журнале Science одновременно вышли сразу три статьи с анализом данных марсианского аппарата. Каждая из них не просто затрагивала один из элементов марсианской структуры – кору, мантию и ядро соответственно – но и впервые так подробно их описывала.

Марсианская кора оказалась тоньше, чем ожидали ученые, – 24-72 километра (для сравнения, толщина коры на континентах Земли варьируется от 35 до 50 километров). Было доказано, что марсианское ядро, состоящее из серы, никеля и железа, находится в жидком состоянии; оно, напротив, оказалось куда больше ожиданий ученых. Согласно измерениям, его радиус составил 1830 километров (т.е. больше половины радиуса самого Марса).

Ученые также смогли измерить и части мантии, расположенной между корой и ядром, а также сделать предположения о том, из чего состоят каждая из этих частей планеты.

Помимо этого, магнитометр, также находившейся на борту InSight, зафиксировал и марсианских «призраков» – странные магнитные импульсы. Ученые считают, что это остатки давно исчезнувшего магнитного поля планеты, сохранившиеся в виде крайне намагниченных участков марсианской коры.

Наконец, несмотря на свою геологическую специализацию, InSight собрал огромное количество данных о марсианской погоде. Ученых больше всего заинтересовали многочисленные пылевые вихри, пойманные датчиками давления и сейсмометром, однако так и не попавшие в объектив камеры аппарата.

Что дальше?

На прошлой неделе НАСА опубликовало фотографию, сделанную в конце апреля 2022 года. Снимок представляет собой «селфи» самого аппарата InSight: на коллаже, сделанном из нескольких фото, хорошо виден слой пыли, покрывший солнечные панели. Именно из-за этой пыли опубликованное «селфи», вероятно, будет последним, так как пылевой слой не позволяет панелям генерировать энергию, достаточную для продолжения работы. В мае 2021 года проблему удалось частично решить: механическая «рука» подбросила песок рядом с аппаратом, частицы которого смели некоторое количество пыли с панелей.

A dusty self-portrait.@NASAInSight took what is likely to be its final selfie on April 24. In the GIF, you can see the spacecraft’s first selfie in December 2018 and its last one where it’s covered in Martian dust. https://t.co/gvCNyRPnzC pic.twitter.com/CcN2Qzg90d

— NASA JPL (@NASAJPL) May 24, 2022

На этом твите НАСА предлагает нам сравнить, какими чистыми были солнечные панели в декабре 2018 и какими они выглядят сейчас.

Из-за нехватки энергии НАСА отправляет механическую «руку», снимавшую «селфи», в режим покоя. Ученые все еще надеются, что случайный вихрь поможет очистить панели, но прогнозы неутешительны: свою роль играет и погода – в равнине Элизий, где и установлен InSight, в ближайшие месяцы ожидается усиление концентрации пыли в воздухе.

Поэтому большая часть приборов будет отключена, за исключением самого важного – сейсмометра, который ученые будут включать лишь изредка (в основном, по ночам) в надежде поймать новое марсотрясение. Пока у InSight еще есть немного времени, и, возможно, он сможет передать еще некоторые снимки и научные данные, однако специалисты НАСА готовятся к тому, что до конца этого года окончательно потеряют связь со своей главной геологической станцией на Марсе.