АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 4, с. 300-308
УДК 523-87
CHOMIK: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ ФОБОСA
© 2014 г. H. Rickman12, E. S l aby3, 4, J. Gurgurewicz15, M. Smigielski4, M. Banaszkiewicz1, J. Grygorczuk1, M. Morawski1, K. Seweryn1, R. Wawrzaszek1
1Space Research Centre, Polish Academy of Sciences, Bartycka 18A, Warsaw, PL-00716 Poland 2Department of Physics and Astronomy, Uppsala University, Box 516, Uppsala, SE-75120 Sweden
e-mail: Hans.Rickman@physics.uu.se 3Institute of Geological Sciences, Polish Academy of Sciences, Research Centre in Warsaw,
Twarda 51/55, Warsaw, PL-00818 Poland 4Faculty of Geology, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 93, Warsaw, PL-02089 Poland 5Institute of Geological Sciences, Polish Academy of Sciences, Research Centre in Wrocl aw, Podwale 75, Wroclaw, PL-50449 Poland Поступила в редакцию 01.12.2010 г. После исправления 26.11.2012 г.
CHOMIK (в переводе с польского "Хомяк") — название пенетратора, предназначенного для сбора и извлечения образцов материала поверхности Фобоса в ходе эксперимента, который является неотъемлемой частью миссии Фобос-Грунт. Мы сочли нужным представить в настоящей статье его конструкцию и предполагаемый режим работы, поскольку концепция эксперимента вполне жизнеспособна и может быть использована в будущих миссиях к Фобосу либо другим малым телам схожих размеров. Фобос взят в качестве примера для описания научных задач подобного эксперимента и чтобы показать, как прибор может быть использован в разрешении ряда открытых вопросов, касающихся происхождения спутников Марса. Особое внимание мы уделяем методикам измерений и анализа, позволяющим строить распределения концентраций микроэлементов в возвращенном образце.
DOI: 10.7868/S0320930X14040094
ВВЕДЕНИЕ: ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОБОСА И ДЕЙМОСА
Происхождение марсианских спутников Фобос и Деймос остается нерешенным вопросом. Проведенные на первых межпланетных аппаратах измерения спектров отражения указывали на то, что по составу эти спутники относятся к астероидам C- или D-типа (Pollack и др., 1978; Murchie, 1999), т.е. к первичным астероидам из внешней зоны Главного пояса или более удаленных областей. Таким образом, гипотеза об их происхождении путем захвата Марсом казалась неизбежной. Впоследствии в некоторых работах эта аналогия подвергалась критике (Gondet и др., 2010; Bibring и др., 2011), в других указывалось на бимодальной характер спектра поверхности Фобоса и/или предполагалось влияние филлосиликатов в красной части спектра (Gendrin и др., 2005, Murchie и др., 2008). Pajola и др. (2012) опубликовали результаты спектрофотометрии Фобоса по данным эксперимента OSIRIS ЕКА Rosetta, из которых видно, что присутствующая на изображении часть поверхности Фобоса оказывается краснее, чем большинство астероидов типа D.
Однако поскольку исчерпывающее описание Фобоса в терминах метеоритных аналогов пока не
достигнуто, вопрос о его минералогическом составе остается открытым. Кроме того, не исключено, что поверхность реголита Фобоса представляет собой смесь зерен образованных как из счет собственных пород, так и из материала, выброшенного с поверхности Марса. Если эти компоненты сильно различаются по своим свойствам, можно предвидеть трудности с интерпретацией спектра их смеси. Таким образом, вопрос о том, является ли Фобос захваченным спутником, также остается открытым. Если окажется, что Фобос целиком состоит из первичного материала из любой части пояса астероидов, он с большой долей вероятности может считаться захваченным спутником; возможный сценарий захвата был предложен Ра]о1а и др. (2012). Если, напротив, внутренний состав Фобоса типичен для дифференцированных объектов, он мог быть аккрецирован на пла-нетоцентрической орбите из столкновительных остатков гигантского импакта, подобно нашей Луне (Б1Ъппя, 2010; Сгаёаоск, 2011).
Каким бы ни было происхождения пары Фобос—Деймос, любой из двух сценариев (захват или аккреция после импакта) мог иметь место на самом раннем этапе, во время поздней стадии аккреции планет земной группы, обычно называемой фазой гигантских импактов. Недавние ис-
следования этого процесса при помощи моделирования в предположении о квази-круговых орбитах Юпитера и Сатурна (Raymond и др., 2009) показали, что каждая из этих планет инкорпорирует порядка 10% материала типа C/D из зоны астероидов. Отметим, что последние данные по Hf—W—Th датировке формирования Марса (Dau-phas, Pourmand, 2011) указывают, что это произошло еще в эпоху, отстоящую на несколько млн. лет от формирования системы Ca—Al—In, и, таким образом, к моменту образования спутников планета должна была быть полностью сформирована. Замедление образования спутников, связанное с интенсивной бомбардировкой на позднем этапе, также возможно — вне зависимости от конкретного состава спутников и сценария их образования. Тем не менее, при сценарии Pajola и др. (2012) — захвате, стимулированном столкновением — захват гораздо более вероятен в раннюю эпоху, когда в окрестностях орбиты Марса могло оказаться достаточное количество блуждающих планетезималей.
Вопрос о летучих на Фобосе тесно связан с режимом его формирования и измерения, например, обилия H2O имеют критическое значение. Известно, что астероиды С-типа содержат включения родительских тел углистых хондритов, которые, как правило, богаты водосодержащими гид-ратированными минералами и часто проявляют другие явные признаки альтерации, вызванной воздействием свободной воды. Более того, лед H2O по сей день существует на поверхности крупного астероида C (24) Фемида (Campins и др., 2010; Rivkin, Emery, 2010). Кометы Главного пояса астероидов, которые связаны с семейством Фемиды (Се, Jewitt, 2006), представляют собой еще один пример таких объектов, поскольку их активность, как считается, вызвана сублимацией подповерхностного льда (Jewitt, 2012). Таким образом, если бы Фобос и Деймос действительно являлись захваченными астероидами C- и D-типов, следовало бы ожидать, что они богаты водой, и это свойство также может повлиять на состав их поверхности.
Очевидно, что доставка образцов грунта Фобоса могла бы поставить точку в вопросе о происхождении марсианских спутников и, таким образом, принести чрезвычайно ценный вклад в изучение происхождения и эволюции планет земной группы. Гипотеза о происхождении метеорита Кайдунь массой около 1 кг с поверхности Фобоса (Ivanov, 2004) также может быть доказана или опровергнута. До сих пор подобная привязка казалась удобным объяснением существования включений щелочных минералов в метеорите, в целом, относящемся к углистым хондритам. Согласно Ivanov (2004) водная альтерация материала метеорита Кайдунь, отождествленная через обра-
зование карбонатов, имела место на ранних стадиях эволюции Солнечной системы. Если родительским телом действительно является Фобос, то, возможно, богаты нещелочными минаралами обломки материала в Кайдуне являются производными ранней коры Марса ^о1епзку, ¡уапоу, 2003; ¡уапоу и др., 2007; 2008). Однако на эти вопросы невозможно ответить с уверенностью до тех пор, пока образцы с поверхности Фобоса не будут доставлены на Землю. Интересным аспектом применения таких образцов было бы измерение возраста ударных включений, состоящих из выброшенного с поверхности Марса материала. Это позволило бы получить нижний предел или, если будет обнаружена кластеризация возрастов, фактическую длительность нахождения Фобоса на орбите Марса.
СНОМ1К: ПЕНЕТРАТОР
С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ЗАБОРА ПРОБ ГРУНТА
Центр Космических Исследований Польской Академии Наук (ЦКИ ПАН) принимает участие в разработке низкоскоростных пенетраторов с ударным приводом с 1996 г. Первый опыт был связан с экспериментом МиРи8 миссии ЕКА Яо8ейа к комете Чурюмова—Герасименко. Пенетратор был необходим для проведения контактных измерений при помощи температурных датчиков, установленных в подповерхностном слое ядра кометы. Уникальным решением, не применявшимся ранее в космических миссиях, было внедрение в грунт при помощи ударного молота с электромагнитным приводом (Огу§о1^ик и др., 2007). Важной особенностью работы устройства является накопление энергии в конденсаторе и его разрядка через катушку электромагнитного привода. Этот принцип обеспечивает высокое ускорение молота, скорость которого в конце хода длиной 6 мм может достичь 8—9 м/с. Ударами по стержню обеспечивается установка температурных датчиков.
Впоследствии пенетраторы рассматривались также и для других космических приложений. В частности, теперь понятно, что они могут играть важную роль в миссиях, нацеленных на возврат проб грунта. Поэтому было принято решение об участии ЦКИ ПАН в миссии Фобос-Грунт в виде разработки ударного пенетратора с возможностью забора проб грунта. Этот прибор, названный СНОМ1К (переводится с польского как "хомяк"), был построен и установлен на борт. Согласно соглашению в рамках миссии, предусматривалось международное сотрудничество при анализе возвращаемых образцов.
Общий вид прибора СНОМ1К представлен на рис. 1. Он состоит из двух основных узлов: пене-тратор и блок электроники, в котором размещается система управления и который также обеспе-
(а)
Введение ударного
Датчик глубины прогресса
Тепловые датчики
Контейнер для образцов
(б) Стержень Молот Конденсатор
Электромагнит Катушка Электроника
Рис. 1. CHOMIK: устройство для забора проб грунта (а) и сечение электромагнитного привода (б).
чивает крепление прибора к манипулятору. Собственно пенетратор, кроме электромагнитного устройства внедрения, представляющего собой улучшенную версию прибора МиРи8, состоит из композитного стержня и титанового контейнера для образцов. Стержень передает воздействие мо-
лота контейнеру и служит линейной направляющей, снабженной датчиком глубины. Во время запуска и фазы перелета устройство внедрения и контейнер для образцов жестко зафиксированы.
Одной из наиболее сложных проблем, возникающих в условиях микрогравитации и специфи-
ческих для ударных приводов, является изоляция манипулятора и спускаемого аппарата от сил отдачи при откате головной части пенетратора (противовеса). Эта
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.