Na Merkurego przez Wenus dwa normalne proszę - o kosztownej wyprawie sondy BepiColombo

20. października o godzinie 3.45, czyli prawdopodobnie w chwili gdy wszyscy spali - już, albo jeszcze - z kosmodromu w Gujanie francuskiej wystartowała rakieta Ariane 5. Jeden z wielu tegorocznych startów rakiet, ale też jeden z tych bardzo kosztownych i dających nadzieję. Nadzieję, że zmusimy Merkurego do odkrycia kart, czyli ukazania nam swojego oblicza w jeszcze większym stopniu niż podczas misji Mariner 10 i Messenger. Jeden z problemów jakiemu czoło stawić musieli inżynierowie podczas konstruowania sondy BepiColombo po trosze przypomina to z czym walczą czasami konstruktorzy wydajnych, ale niewielkich komputerów. Mowa o skutecznym chłodzeniu.

O tym jednak później, bo najpierw na Merkurego trzeba dostać się po raz kolejny.

20 października 2018

Zastanówmy się więc dlaczego swój cel BepiColombo, nazwane na cześć Giuseppe Colombo (włoski matematyk i inżynier), osiągnie dopiero za siedem lat (dla branży mobilnej, o której tak ochoczo każdy pisze, to cała era). Odpowiedzialny za to jest patron projektu, ale nie krytykujmy go zanim nie zrozumiemy, że obecnie "śpieszyć się powoli" to najlepszy sposób podróżowania do wnętrza Układu Słonecznego.

Asysta grawitacyjna - ekonomiczny sposób podróżowania

Żyjemy w czasach gdy eksploracja Kosmosu nie jest już tylko mrzonką, ale też jeszcze nie dorośliśmy do tego, by połykać go tak jak połyka się kilometry na autostradzie. Naukowe projekty astrofizyczne nie są działaniami, które mogą zawsze liczyć na nieograniczone środki finansowe, podobnie jak możliwości rakiet, które są stosowane do wysyłania sond badawczych. Pokrycie ogromnych kosztów to tylko jedno z wyzwań jakim czoło stawił BepiColombo. Koszty zresztą wiążą się z największym wyzwaniem - walce z grawitacją Słońca. O tym więcej pisałem przy okazji misji badawczej na Słońce czyli sondzie Parkera.

Tymczasem przypomnijmy sobie czym wsławił się Giuseppe Colombo. Otóż jego matematyczna wiedza i inżynieryjne doświadczenie pomogło mu w opracowaniu techniki asyst grawitacyjnych. Dziś techniki powszedniej można rzec, bo wie o tym każdy miłośnik astronomii, niezbędnej w locie na Merkurego. Asysta grawitacyjna pozwala wykorzystać grawitację planet mijanych przez sondę, by zmienić jej prędkość i kierunek lotu. W podróżach międzyplanetarnych manewry korygujące trasę są konieczne i wymagają ogromnych ilości paliwa. Dzięki asystom grawitacyjnym nie trzeba go w ogóle zużywać na takie manewry.

A nawet nie trzeba go zabierać tyle co w sytuacji gdy sonda nie polegałaby na asystach grawitacyjnych. A to z kolei zmniejsza znakomicie koszty całej misji (mniejsza waga sondy, którą należy wystrzelić w Kosmos).

Można też z humorem - szef NASA w filmie Marsjanin wprowadzany w tajniki grawitacyjnego wspomagania napędu

Tak właśnie będzie leciał na Merkurego BepiColombo - z pomocą asyst grawitacyjnych. Podobnie jak wcześniejsze misje, które odwiedzały najbliższą Słońcu planetę Układu Słonecznego (i jedną z najmniej poznanych) odwiedzi Wenus. Przy okazji zaktualizuje część informacji na temat tej planety, która mimo fatalnych dla życia warunków na powierzchni, może być przyjazna ponad gęstymi chmurami. To właśnie tam NASA liczy w przyszłości umieścić unoszące się jak dawne sterowce pojazdy, które być może pozwolą stworzyć nawet duże „miejskie” struktury. To jednak inna historia.

Choć Merkury w momencie największego zbliżenia jest oddalony od Ziemi jedynie o około 77 milionów kilometrów, to biorąc pod uwagę czas podróży jest tak samo trudny do zdobycia jak wielokrotnie odleglejszy Saturn, a nawet Pluton. Sonda Cassini-Huygens leciała do planety z pierścieniami siedem lat. I tyle samo zajmie BepiColombo zbliżenie się do Merkurego na tyle, by wejść na jego orbitę.

A tak wygląda to w zyciu - zarządzająca systemami misji BepiColombo Elsa Montagnon 

Manewr asysty grawitacyjnej pozwala stawić czoła grawitacji na wiele sposobów. W tym planować efektywne osiągnięcie celu, ale musi być to zaplanowane w szczegółach jeszcze przed startem z Ziemi.

Oczywiście potrafimy wystrzelić sondy z większą prędkością, które doleciałyby do Merkurego szybciej, lecz mielibyśmy problem z hamowaniem i wejściem na orbitę. Podobnie jest w przypadku sond opuszczających Układ Słoneczny, takich jak New Horizons. Ta sonda do Jowisza, który znajduje się znacznie dalej od Ziemi niż Merkury, doleciała w rok. Jednakże minęła go i podążyła dalej do swojego pierwszego głównego celu - Plutona. Gdyby New Horizons miał wejść na orbitę Plutona, jego podróż musiałaby przebiegać inaczej już na samym początku. 

Wiemy już jak trafić do celu. Jak jednak przekuto plan na realne działania? Zanim poznamy odpowiedź wczujmy się trochę w tego Merkurego.

Merkury jako planeta mniejsza niż księżyce, na której rok trwa pół dnia

Merkury to planeta, która obiega Słońce w odległości średnio około 58 milionów kilometrów. Przez większość roku jest bardzo trudny do obserwacji. By dojrzeć Merkurego gołym okiem musimy czekać na chwilę, w której osiąga on na nieboskłonie największą odległość kątową od Słońca (astronomowie mówią, że jest w maksymalnej elongacji). Wtedy widzimy go tuż przez wschodem lub tuż przed zachodem Słońca w pobliżu naszej gwiazdy (maksymalna odległość to 28 stopni kątowych). Merkury jest jednak na tyle słaby, że musimy też trafić na dobrą pogodę, by jego obraz nie rozmył się w zakłóceniach atmosfery.

Obecnie mamy dobry okres na obserwacje Merkurego - pod koniec października należy szukać go kilka stopni nad południowo-zachodnim horyzontem o zmroku (w okolicach godziny 17). Tuż obok zobaczymy Jowisza. Obserwując Merkurego przez kilkanaście dni zobaczymy jak szybko zmienia on swoją pozycję na niebie, przesuwając się względem Jowisza.

Tranzyt Merkurego, trochę poprawiony kolorystycznie, przed tarczą Słońca w 2016 roku - to ta kropka u góry po lewej stronie. Zdjęcie z ręki, wykonane Panasonic TZ80

Merkurego możemy też obserwować przez lunety lub teleobiektyw aparatu. Ta technika daje nam niepowtarzalną możliwość obserwacji przejścia Merkurego przed tarczą Słońca. Nie jest to częste zjawisko, a przy obserwacjach trzeba pamiętać o ochronie wzroku. Przez lunetę o dostatecznie dużym powiększeniu (około 100x), gdy Merkury jest daleko od Słońca a niebo przejrzyste, dostrzeżemy sierp planety (podobnie jak w przypadku Księzyca czy Wenus, lecz mniej efektowny). A nawet pewne detale na powierzchni, choć wiele poradników kwestionuje ten fakt, a trudność w obserwacjach pogłębia to przekonanie.

Poczet największych skalistych/lodowych ciał niebieskich w Układzie Słonecznym. I Merkury gdzieś tam pośrodku (autor: PlanetUser/CC BY 3.0)

Większość zdjęć Merkurego jakie pojawiają się w literaturze sprawia, że cel misji BepiColombo wydaje się nudną planetą, ale to tylko pozory. Gdyby był tak blisko jak Księżyc wzbudzałaby emocje nie mniejsze co nasz naturalny satelita. Merkury to bowiem najbardziej pokryta kraterami ciało niebieskie w Układzie Słonecznym. Jest jedną z czterech skalistych planet w Układzie Słonecznym (przy obecnej nomenklaturze) o promieniu około 2440 km. Tym samym jest mniejszy nawet od jowiszowego księżyca Ganimedes, a też od Tytana, za to sporo większy od Księżyca. 

Merkury waży 18 razy mniej niż Ziemia, czego efektem jest dużo mniejsza grawitacja. Na powierzchni Merkurego poczulibyśmy się około 2,7 raza lżejsi. Na przykład zamiast 80 kilogramów, ważylibyśmy około 30 kilogramów.

Obraz z fałszywymi kolorami, które podkreślają róznorodność składu chemicznego powierzchni - Merkury wcale nie jest nudną planetą

Planeta obiega Słońce w 88 dni ziemskich, a wokół własnej osi obraca się w 58 dni. Jednak doba na Merkurym w takim sensie do jakiego przywykliśmy (na Ziemi dobę w dużym stopniu możemy przybliżyć dziennym ruchem Słońca) na Marsie trwa aż 176 dni ziemskich. Dlatego porównanie okresu orbitalnego i okresu rotacji Merkurego wokół własnej osi choć prawdziwe brzmi żartobliwie - dzień, który trwa dwa lata. Ciekawe co by powiedzieli na to politycy gdyby jacyś byli na Merkurym? Kadencja radnego, która trwa 2,5 dnia to nie do pomyślenia. Ale dość żartów - Merkury niestety jest mało przyjazny ludziom. Nawet mniej niż Wenus (choć w tym przypadku mowa o otoczeniu planety, a nie powierzchni).

Merkury jako starożytna planeta ze zmarszczkami, „znajoma” Einsteina

Dlaczego Merkurego nazwałem planetą ze zmarszczkami? Otóż Merkury stale stygnie wewnątrz a to sprawia, że niczym balon z którego uchodzi powietrze, zmniejsza swoją średnicę, a jego powierzchnia ulega pofałdowaniu. Zmiany rozmiaru Merkurego są niewielkie, bo liczone w kilometrach w skali geologicznej, ale wystarczająco duże, by wywołać aktywność powierzchniową i doprowadzić do powstania różnego rodzaju wzajemnie się przecinających fałd. Te jednak nie martwiły obserwatorów przez większość czasu w jakim Merkury jest nam znany.

Niczym zastygnięte ciasto naleśnikowe - tak wygląda Merkury z bliska

W kształcie tej grupy kraterów amerykanie dopatrzyli się Myszki Miki. 

Inna dziwna forma powierzchniowa przypomina pory lub pryszcze - pochodzenie tych zapadlisk i wybrzuszeń jest jeszcze przedmiotem sporów

Stosunkowo łatwo dostrzegalny Merkury znany był bowiem w starożytności (prawdopodobnie obserwowali go już Sumerowie 5000 lat temu). Przez wieki wystarczało, że była to planeta utożsamiana z bogiem handlarzy, posłańcem bogów (stąd misja Messenger), stanowiła ona (i stanowi) element astrologicznych prognoz. Całkiem niedawno, bo w XIX wieku, Merkury zaczął jednak niepokoić astronomów i fizyków. Powierzchni jeszcze nie dało się dobrze obserwować, ale pomiary jego pozycji nie pasowały do przewidywań klasycznej teorii Newtona (a nawet ta uwzględniała zakrzywienie toru promieni światła, a nie tylko oddziaływanie grawitacyjne ze strony innych ciał). Te niezgodności pomiarowe to konsekwencja faktu, że wydłużona mocno orbita merkurego podlega precesji, mówiąc inaczej peryhelium orbity zmienia stopniowo położenie (rysunek poniżej).

Diagram ilustrujący precesję peryhelium orbity

Ta anomalia w ruchu orbitalnym jest niewielka, tak mała, że potrzebne były wieloletnie obserwacje dla udokumentowania tego zjawiska (roczna zmiana jest o ponad rząd mniejsza niż kątowy rozmiar tarczy Merkurego widzianego z Ziemi).

W 1916 roku tajemnica wędrującego peryhelium została rozwiązana przez Einsteina, który z pomocą swojej Ogólnej Teorii Względności wyjaśnił skąd takie zachowanie. Prosto rzecz ujmując, Merkury znajduje się już tak blisko Słońca, że odczuwa w dużym stopniu zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane przez ogromną masę w centrum Układu Słonecznego. Einstein odwołując się do klasycznej fizyki relatywistycznej z dużą dokładnością wyjaśnił obserwacje, a to oznaczało, że nawet jeśli jego teoria nie jest najlepszym opisem rzeczywistości, to stanowi krok w dobrym kierunku. Był to jeden z testów teorii względności jakie zaproponował podówczas Einstein.

Byliśmy już tam dwa razy - ale dotąd była to tylko NASA

Na Merkurego wysyłaliśmy już dwa razy sondy. Aż i tylko dwa razy. Pierwszy raz w 1974 była to sonda Mariner 10, która jako pierwsza w historii wykorzystała manewr asysty grawitacyjnej. Był on jeszcze wtedy niedoskonałą techniką i pozwolił jedynie na dwa przeloty w pobliżu planety, ale zapewnił bogatą kolekcję obrazów powierzchni i podstawową wiedzę o budowie wewnętrznej, cienkiej ale obecnej atmosferze, słabiutkim polu magnetycznym jak i temperaturze powierzchniowej (ta na równiku zmienia się od około -180 do 430 stopni C zależnie od nasłonecznienia, na biegunie bywa chłodniej, temperatura nie przekracza około 110 stopni C). Ta wiedza wypełnia podręczniki szkolne od ponad 4 dekad, lecz dziś wiemy o Merkurym trochę więcej.

Merkury widziany w 1974 roku przez Marinera 10

Zbliżenie - mozaika z najwyższej jakości zdjęć z tej sondy

To zasługa misji Messenger, która ruszyła na Merkurego w 2004 roku. Tym razem podróż była dłuższa niż Marinera 10, ale też Messenger był w stanie po kilku przelotach w pobliżu Merkurego wejść na jego orbitę w 2011. Potem przez kilka lat badać planetę, by w końcu rozbić się (w kontrolowany sposób) na jego powierzchni w kwietniu 2015. Urozmaicając jego powierzchnię o jeszcze jeden krater (przypuszcza się, że około 16m średnicy). Messenger rozszerzył naszą wiedzę na temat Merkurego. Potwierdzał wcześniejsze przypuszczenia (jak kontrakcja jądra planety, występowanie zapadlisk), ukazywał fakty w nowym świetle (wokół Merkurego tworzą się zewnętrzne pola magnetyczne, magnetosfera jest bardzo dynamiczna, ale też tak słaba, że po stronie Słońca wiatr słoneczny dociera do powierzchni), a także stawiał nowe zagadki (historia geologiczna Merkurego jest odmienna niż innych skalistych planet).

Dzięki długotrwałym pomiarom wiemy, że planeta ta ma nadal częściowo ciekłe jądro, była aktywna geologicznie w niedalekiej przeszłości, a w zewnętrznych warstwach atmosfery i w zacienionych kraterach (podobnie jak na Księżycu) wykryto spore ilości wody (sama atmosfera jest bardzo bogata w tlen atomowy, który stanowi 42% jej składu, kolejne 29 i 22% to sód i wodór, istotna jest też 6% domieszka helu).

Merkury w środku - budowa wewnętrzna planety

Zaskoczeniem było odkrycie śladów związków organicznych w kraterach. Messenger zapewnił nam też wysokiej jakości fotograficzne mapy całej powierzchni Merkurego. Mariner 10 w zbliżeniu pokazał nam tylko jej fragmenty, Messenger obniżał swój pułap do 100 kilometrów w trakcie normalnej fazy obserwacji. Łącznie wykonał ponad 277 tysięcy zdjęć, 70 razy więcej niż Mariner 10.

Tak Merkurego widział Messenger

Messenger był też poligonem doświadczalnym dla technologii. Oprócz 6 asyst grawitacyjnych Messenger wykorzystywał ciśnienie promieniowania Słońca do hamowania, a wykorzystywany do utrzymania ciśnienia w zbiornikach paliwa hel wykorzystał potem jako dodatkowy materiał pędny.

Jakkolwiek BepiColombo może bazować na doświadczeniach NASA, to pierwsza misja europejska, której celem jest Merkury. ESA wysłała już sondę na Wenus (misja zakończyła się w 2015 nurkowaniem w atmosferze planety), Merkury jest naturalnym kolejnym celem. Następnym będzie sonda podobna do obserwatorium Parkera, czyli badanie Słońca z bliska.