Niedawny przelot BepiColombo obok Merkurego pozwolił uzyskać cenne dane na temat jego pola magnetycznego i otaczającej przestrzeni osoczewskazując na złożone cechy magnetosferyczne i interakcje pomiędzy powierzchnią planety a jej cienką atmosferą.
Te wstępne ustalenia przygotowują grunt pod bardziej wszechstronne badania, gdy statek kosmiczny wejdzie na orbitę Merkurego w 2026 roku.
Misja BepiColombo
Podobnie jak Ziemia, Merkury posiada pole magnetyczne, chociaż na powierzchni planety jest ono sto razy słabsze. Pomimo swojej słabości to pole magnetyczne tworzy w przestrzeni ochronną bańkę, zwaną magnetosferą, która chroni planetę przed nieustannym naporem cząstek emitowanych przez Słońce, zwanym wiatrem słonecznym. Bliskość Merkurego do Słońca intensyfikuje te interakcje, wpływając zarówno na magnetosferę, jak i powierzchnię planety w większym stopniu niż na Ziemię. Zrozumienie dynamiki tej magnetycznej bańki i charakterystyki zawartych w niej cząstek jest głównym celem misji BepiColombo.
Przygotowanie do orbity wokół Merkurego
BepiColombo ma dotrzeć do Merkurego w 2026 roku, przelatując obok Ziemi, Wenusoraz sam Merkury, aby dostosować swoją prędkość i trajektorię, aby umożliwić uchwycenie go na orbitę wokół planety. Obecnie „ułożona w stos” sonda kosmiczna oddzieli i rozmieści dwa orbitery naukowe – kierowany przez ESA Mercury Planetary Orbiter (MPO) i kierowany przez JAXA Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO lub Mio) – na uzupełniające się orbity, aby umożliwić niezbędne pomiary wykonywane przez podwójną sondę kosmiczną potrzebne do namalowania pełnego obrazu dynamicznego środowiska Merkurego.
Gdy statek kosmiczny przelatuje obok Merkurego podczas przelotów, wiele jego instrumentów naukowych jest w stanie ukraść zapowiedź ekscytujących nadchodzących wydarzeń naukowych. Co więcej, przeloty zapewniają unikalny wgląd w obszary na całej planecie, które nie będą bezpośrednio dostępne z orbity.
Merkury jest pokazany z liniami pola magnetycznego ściśniętymi po stronie słonecznej i wypływającymi w ogon po nocnej stronie. Trajektoria statku kosmicznego jest zaznaczona na pomarańczowo; zbliżył się do planety od strony zmierzchu i przesunął się w stronę strony świtu, mijając powierzchnię planety na odległość aż 235 km.
Sonda spędziła w magnetosferze tylko około 30 minut, ale w tym krótkim czasie była w stanie zebrać mnóstwo informacji o środowisku magnetycznym, cząsteczkowym i plazmowym na swojej drodze.
Źródło: Sae Aizawa – LPP/CNRS
Szczegółowe obserwacje z Flybys
Lina Hadid, była pracownik naukowy ESA, obecnie pracująca w Laboratoire de Physique des Plasmas w Obserwatorium Paryskim, wykorzystała zestaw instrumentów Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE) aktywny na Mio podczas przelotu w pobliżu Mio 19 czerwca 2023 r., trzeciego z sześciu asyst grawitacyjnych wykonanych przez BepiColombo, w bardzo krótkim czasie stworzyć imponujący obraz magnetycznego krajobrazu planety.
„Te przeloty są szybkie; przebyliśmy magnetosferę Merkurego w około 30 minut, przemieszczając się od zmierzchu do świtu i przy największym podejściu na odległość zaledwie 235 km nad powierzchnią planety” – opisuje. „Pobraliśmy próbki rodzaju cząstek, ich temperatury i sposobu poruszania się, co umożliwiło nam wyraźne nakreślenie krajobrazu magnetycznego w tym krótkim okresie”.
Wgląd w magnetosferę Merkurego
Połączenie pomiarów BepiColombo z modelowaniem komputerowym w celu określenia pochodzenia wykrytych cząstek na podstawie ich ruchu umożliwiło Linie i jej współpracownikom naszkicowanie różnych cech spotykanych w magnetosferze.
„Widzieliśmy oczekiwane struktury, takie jak granica „wstrząsu” pomiędzy swobodnie płynącym wiatrem słonecznym a magnetosferą, a także przeszliśmy przez „rogi” otaczające warstwę plazmy, obszar gorętszego, gęstszego, naładowanego elektrycznie gazu, który wypływa niczym ogon w kierunku od Słońca. Ale mieliśmy też kilka niespodzianek.”
Lina jest głównym współbadaczem MPPE i kierownikiem jednego z jego instrumentów, analizatora widma masowego. Pracowała na Fizyka komunikacji artykuł przedstawiający wyniki z byłym kierownikiem instrumentu Dominique Delcourt.
Złożona magnetosfera Merkurego i badania przyszłości
„Wykryliśmy tak zwaną warstwę graniczną na niskich szerokościach geograficznych, zdefiniowaną przez obszar turbulentnej plazmy na krawędzi magnetosfery i zaobserwowaliśmy tutaj cząstki o znacznie szerszym zakresie energii niż kiedykolwiek wcześniej obserwowaliśmy na Merkurym, w dużych ilościach dzięki czułości analizatora widma masowego zaprojektowanego specjalnie dla złożonego środowiska Merkurego” – mówi. „BepiColombo będzie w stanie określić skład jonowy magnetosfery Merkurego bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek”.
„Zaobserwowaliśmy także energetyczne gorące jony w pobliżu płaszczyzny równika i na małych szerokościach geograficznych uwięzione w magnetosferze i uważamy, że jedynym sposobem wyjaśnienia tego jest prąd pierścieniowy, albo częściowy, albo całkowity pierścień, ale jest to obszar o wiele dyskutowane” – dodaje Lina.
Prąd pierścieniowy to prąd elektryczny przenoszony przez naładowane cząstki uwięzione w magnetosferze. Na Ziemi istnieje dobrze poznany prąd pierścieniowy znajdujący się dziesiątki tysięcy kilometrów od jej powierzchni. W przypadku Merkurego mniej jasne jest, w jaki sposób cząstki mogą pozostać uwięzione w promieniu kilkuset kilometrów od planety, zwłaszcza że magnetosfera jest zgniatana przez powierzchnię planety. Debata ta prawdopodobnie zostanie rozstrzygnięta, gdy MPO i Mio zaczną zbierać dane w pełnym wymiarze godzin.
Rtęć posiada pole magnetyczne, które oddziałuje z cząsteczkami Słońca („wiatr słoneczny”). W ten sposób powstaje magnetosfera Merkurego – bańka w przestrzeni kosmicznej o kształcie rękawa wiatrowego rozciągającego się od Słońca. Ta bańka stale się zmienia w odpowiedzi na wiatr słoneczny.
Wyniki symulacji pokazują oczekiwany przypadek środowiska magnetycznego Merkurego w typowych warunkach wiatru słonecznego. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia „widok z boku”, w którym Słońce jest poza kadrem po lewej stronie; zdjęcie po prawej stronie przedstawia „widok z przodu”, jakbyśmy patrzyli na Merkurego od strony Słońca. Symulacja opiera się na modelu, nie przedstawia rzeczywistych obserwacji.
Kolory wskazują gęstość naładowanych cząstek wokół Merkurego, przy czym najwyższa gęstość jest pokazana na żółto, a najniższa na fioletowo/czarno. Białe linie to linie pola magnetycznego. (Prawie pionowe linie rozciągające się od biegunów planety są artefaktami liczbowymi i należy je zignorować.)
Niezakłócony wiatr słoneczny ma kolor ciemnopomarańczowy. Gdy wiatr słoneczny napotyka pole magnetyczne Merkurego, zostaje nagrzany i odchylony, tworząc gęstszy obszar cząstek wiatru słonecznego, pokazany na żółto. Wewnątrz tej gęstej warstwy widzimy, że liczba cząstek wiatru słonecznego bardzo szybko spada niemal do zera, z wyjątkiem strumienia wychodzącego z równika.
Źródło: Willi Exner – ESA i TU Braunschweig, Podziękowania:
Na podstawie modelu numerycznego AIKEF (dostęp dzięki Y. Narita (ITHP, TU Braunschweig) i D. Heyner (IGEP, TU Braunschweig))
Interakcja statku kosmicznego ze środowiskiem Merkurego
Lina i jej współpracownicy zaobserwowali także bezpośrednią interakcję statku kosmicznego z otaczającą plazmą kosmiczną. Kiedy statek kosmiczny jest ogrzewany przez Słońce, nie jest w stanie wykryć zimniejszych, ciężkich jonów, ponieważ sam statek kosmiczny zostaje naładowany elektrycznie i odpycha je. Jednak gdy statek kosmiczny przemieszcza się przez nocny cień planety, ładowanie jest inne i nagle widoczne staje się morze zimnych jonów plazmy. Wykrył na przykład jony tlenu, sodu i potasu, które prawdopodobnie zostały wyrzucone z powierzchni planety w wyniku uderzeń mikrometeorytów lub w wyniku interakcji z wiatrem słonecznym.
„To tak, jakbyśmy nagle widzieli, jak skład powierzchni „eksploduje” w 3D w bardzo cienkiej atmosferze planety, zwanej jej egzosferą” – zauważa Dominique. „To naprawdę ekscytujące zacząć dostrzegać związek między powierzchnią planety a środowiskiem plazmy.”
Oczekiwania na nadchodzące odkrycia
„Podczas tego rzadkiego przeglądu od zmierzchu do świtu wielkoskalowej struktury magnetosfery Merkurego posmakowaliśmy obietnicy przyszłych odkryć” – mówi Go Murakami JAXAnaukowiec projektu BepiColombo.
„Obserwacje podkreślają potrzebę, aby oba orbitery i ich uzupełniające się instrumenty opowiedziały nam całą historię i stworzyły pełny obraz zmian środowiska magnetycznego i plazmowego w czasie i przestrzeni” – dodaje Geraint Jones, naukowiec projektu ESA BepiColombo.
„Nie możemy się doczekać, aby zobaczyć, jak BepiColombo wpłynie na nasze szersze zrozumienie magnetosfer planetarnych”.
Przygotowanie do przyszłych przelotów
Tymczasem naukowcy już zagłębiają się w dane przechwycone w zeszłym miesiącu czwarty bliski przelot Merkurego podczas gdy kontrolerzy lotów przygotowują się do dwóch ostatnich przelotów obok siebie, zaplanowanych odpowiednio na 1 grudnia 2024 r. i 8 stycznia 2025 r.
Odniesienie: „Środowisko plazmy Merkurego po trzecim przelotie BepiColombo” autorstwa Liny Z. Hadid, Dominique Delcourt, Yuki Harada, Mathias Rojo, Sae Aizawa, Yoshifumi Saito, Nicolas André, Austin N. Glass, Jim M. Raines, Shoichiro Yokota, Markus Fränz , Bruno Katra, Christophe Verdeil, Björn Fiethe, Francois Leblanc, Ronan Modolo, Dominique Fontaine, Norbert Krupp, Harald Krüger, Frédéric Leblanc, Henning Fischer, Jean-Jacques Berthelier, Jean-André Sauvaud, Go Murakami i Shoya Matsuda, 3 października 2024 r. , Fizyka komunikacji.
DOI: 10.1038/s42005-024-01766-8
Wyniki opierają się na pomiarach wykonanych za pomocą analizatora widma masowego (MSA), analizatora jonów rtęci (MIA) i analizatora elektronów rtęci (MEA), będących częścią zestawu instrumentów Mercury Plasma Particle Experiment na pokładzie Mercury Magnetospheric Orbiter kierowanego przez JAXA.
BepiColombo to wspólne przedsięwzięcie ESA i Japońskiej Agencji Badań Kosmicznych (JAXA).
