Раскрывая тайны межпланетного пришельца
Карликовая планета Церера — довольное уникальное и во-многом загадочное тело, которое внимательно изучается зондом NASA Dawn с весны 2015 года. Церера вращается вокруг Солнца примерно между Марсом и Юпитером в поясе астероидов, но научные результаты Dawn позволяют предполагать, что прибыла она в нынешнее «место парковки» из более дальних краев.
Цереру открыли более 200 лет назад, но почти два века люди ничего не могли увидеть кроме точки или маленького пятнышка из-за несовершенства оптики. С Цереры началось открытие Главного астероидного пояса, и за внешнее сходство с далекими звездами астероиды получили свое название — «звездоподобные». Их размеры так малы, что телескопы прошлого и позапрошлого века были не способны различить хоть какие-то детали поверхности. Сначала Цереру считали планетой, но быстро «разжаловали» в астероиды, и в этом звании она провела два века. Дискуссия о статусе Плутона привела к уточнению термина «планета» и введению нового термина «карликовая планета». В 2006 году Церера получила звание карликовой планеты, и среди них стала самой маленькой и самой близкой к Земле. К этому времени космический телескоп Hubble смог увидеть ее уже лучше и показать сферическую форму, благодаря которой и досталось это звание. Диаметр Цереры составляет примерно 950 км, что в 3,5 раза меньше нашей Луны и в 2,5 раза меньше диаметра Плутона. Спутник Плутона Харон чуть больше Цереры, но она летает сама по себе вокруг Солнца, поэтому заслужила особое звание.
Остальные карликовые планеты: Плутон, Эрида, Хаумеа и Макемаке вращаются намного дальше — за орбитой Нептуна. Из них только Плутон на краткое время посещался земным зондом New Horizons. В 2015 году к Церере прибыла межпланетная автоматическая станция Dawn («Рассвет»), за три года он сменил несколько орбит разной высоты: 5100–4400–1500–385–200 км, и теперь Церера — самая изученная карликовая планета.
Dawn — представляет собой классический зонд для исследования безатмосферных тел Солнечной системы: на борту размещен небольшой панхроматический телескоп с восемью спектральными фильтрами на колесе, инфракрасный спектрометр и гамма-нейтронный спектрометр.
Особенностью конструкции Dawn является его двигательная установка — он использует электроракетные ионные двигатели. Особенностью этих двигателей является высокая скорость истечения реактивных газов, которая позволяет расходовать запас гораздо экономнее более распространенных химических двигателей. Недостатком ионников является ничтожно малое количество газа в реактивной струе. Поэтому там где химическому двигателю потребуется включение на несколько минут, ионному придется работать десятки часов. К тому же электроракетные двигатели требуют много энергии, поэтому Dawn оснащен солнечными батареями размахом почти 20 метров.
Несмотря на недостатки ионных двигателей, они позволили Dawn совершить долгий и многоэтапный вояж в поясе астероидов и провести сложную научную программу. Стартовав в 2007 году Dawn прибыл к самому большому астероиду в Главном поясе между Марсом и Юпитерм — Весте. Это яйцеобразное грубое каменное тело размером около 550 км. Если бы Веста имела сферическую форму как Церера, то тоже звалась бы карликовой планетой.
Dawn вышел на орбиту вокруг Весты, и больше года изучал ее с трех разных орбит. Потом зонд воспользовался преимуществами ионной тяги, и вернулся на межпланетную траекторию, чтобы добраться до следующей важной цели — карликовой планеты Церера. Перелет длился два с половиной года.
Любопытный факт: Dawn провел в поясе астероидов восемь лет и совершил три оборота вокруг Солнца, но не встретил ни одного астероида кроме Весты. Это показательный пример того, насколько заполнено астероидами пространство в самой гуще Главного пояса. Если бы в пути попался хоть один известный астероид, NASA не упустило бы возможности изучить его хотя бы издалека и на пролетной траектории.
Сближение с Церерой зимой 2015 года сразу началось с интриги — на поверхности темной карликовой планеты (чуть темнее Луны) обнаружилось несколько ярких белых пятен сконцентрированных на дне одного кратера. Ранее инфракрасный космический телескоп ESA Herschel определил в этом месте выделение водяного пара в интенсивности около 3 кг/с, но гипотезу водяного льда ученые выдвигали осторожно, рассматривая и другие возможности.
Вода на Церере никого не удивила, еще ранее, анализ ее орбитальных характеристик позволил высчитать ее массу, а после уточнения размеров получили среднюю плотность 2,1 г на куб см. Это очень мало в сравнении с каменными астероидами. Например у Весты плотность 3,4 г на куб см, у самой распространенной в Солнечной системе каменной породы базальта плотность около 2,6 г на куб см. Поэтому еще до прибытия Dawn предполагалось большое содержание воды, до 50% в мантии Цереры. Для сравнения, метеориты прилетевшие на Землю с Весты содержат не более 0,04% воды.
Сферическая форма Цереры указывает на прошедшую дифференциацию, т.е. разделение на каменное ядро, возможно с примесью металлов, и каменно-ледяную мантию. Всё это покрыто тонким слоем реголита, накопившемся за миллиарды лет на поверхности.
Открытия Dawn начались с ярких пятен в кратере названном Оккатор, но это было только начало. Сразу заметили еще одну приметную особенность — почти правильный конус горы, названной Ахуна. Она выделялась на фоне средней «шероховатости» поверхности возвышаясь на 5 км с основанием 20 км. Рядом с горой располагается глубокий метеоритный кратер примерно такого же размера, но, вероятно, они не связаны. Зато с противоположной стороны карликовой планеты находится древний и самый большой на Церере кратер от астероида диаметром 280 км. Возможно, гора Ахуна — это вулкан, который сформировался в точке фокусировки сейсмических волн в момент от удара с обратной стороны. Подобные процессы могли происходить на Меркурии (Равнина Жары), Марсе (нагорье Фарсида и Элизий), Земле (плато Путорана). Доказательства вулканизма на горе Ахуна нашли при помощи инфракрасного спектрометра — на вершине и склонах определили отложения карбоната натрия, более известного как пищевая сода. Вероятнее всего Ахуна является криовулканом, т.е. вулканом извергающим воду с различными примесями. К сожалению, свежих следов вулканизма гора не имеет.
За два года Dawn смог определить множество материалов, которые указывали на прошлую геологическую и химическую активность жидкой воды на Церере: нашлась глина, которая является результатом размывания водой вулканических пород, карбоната натрия, и его варианта связанного с водой в форме гидрокарбоната, тоже нашлось много. Органические соединения ответственны за незначительное покраснение в выбросах из некоторых метеоритных кратеров. Более того, оказалось, что эволюция поверхности еще продолжается: со склонов некоторых кратеров сходят оползни, вода испаряется с нагретых солнцем участков поверхности, создает временную атмосферу, и оседает инеем в холодной тени.
Самым ярким подтверждением гидротермальной активности на Церере стали те самые яркие пятна в кратере Оккатор. Сам кратер возник примерно 80 млн лет назад, но белые отложения, которые тоже оказались содой, моложе его на 30 млн лет. Самые свежие отложения вообще недавние по геологическим меркам — около 4 млн лет. В центре наиболее крупного карбонатного пятна тоже возвышается криовулканический купол, только значительно меньше Ахуны.
Еще одну загадку подкинуло изучение гравитационного поля Цереры. По его результатам плотность верхнего слоя карликовой планеты довольно низкая — ближе ко льду чем к камню. По более ранним исследованиям вода должна составлять 40–50% верхней мантии. При этом вызывает удивление стабильность крупных геологических образований, вроде горы Ахуна или многих глубоких кратеров. Обычная мерзлота не удержала бы такие структуры из-за пластичности льда. Получается что-то внутри «держит каркас». Ученые предположили, что в качестве «арматуры» ледяных недр Цереры выступают клатраты — газовые гидраты — это кристаллические соединения воды и различных газов, которые формируются при определенном соотношение температуры и давления. Например метановый гидрат из воды и метана возникает при 0 град. Цельсия при давлении 50 атм, при понижении температуры необходимое давление уменьшается. Клатраты могут быть в 100–1000 раз прочнее льда, при той же плотности. То есть перед нами косвенное доказательство скрытых в недрах Цереры летучих веществ, которых уже нет на поверхности.
Еще одним подтверждением прошлой дегазации Цереры являются обнаруженные цепи небольших кратеров шириной 1–4 км, длиной до 500 км. Предположительно они возникли в реголите над трещинами в коре карликовой планеты. Трещины могут иметь разное происхождение: от тектоники, от мощного астероидного удара, от изменения объема космического тела вследствие его остывания… Но каждая из этих причин имеет определенные признаки, которых нет на Церере. Наиболее убедительной гипотезой стала именно дегазация, когда из толщи коры через трещины наружу выделялись потоки газов из внутренних резервуаров.
Самой интригующей находкой на Церере стал аммиак обнаруживаемый на поверхности с карбонатами и глинами. Аммиак растворенный в воде понижает ее температуру замерзания, что позволяет криовулканам извергаться даже при минусовой температуре. Аммиак интересен прежде всего тем, что указывает на происхождение Цереры где-то за пределами ее нынешней орбиты, т.е. она пришелец в Главном поясе астероидов.
Такой вывод следует из-за т.н. «снеговой линии» (frost line) — расстояния от Солнца, на котором тепла становится недостаточно для сохранения газообразной формы, что приводит к конденсации газа в твердую форму. Во времена формирования Солнечной системы снеговая линия для воды располагалась на расстоянии примерно 420 млн км от Солнца, т.е. примерно там, где вращается Церера. Сейчас водяная снеговая линия располагается еще дальше — около 750 млн км от Солнца — почти у орбиты Юпитера. Ближе этого расстояния вращаются только каменные планеты, спутники и астероиды, лед на которых может быть только у полюсов, или в тени, или под поверхностью. На земных горных вершинах лед держится благодаря атмосферному давлению. Дальше водяной снеговой линии в изобилии летают ледяные кометы, и спутники планет почти все или состоят из льда, или все покрыты льдом.
В отличии от воды, аммиак имеет более низкую температуру конденсации, и при формировании Солнечной системы его снеговая линия лежала примерно на 80 млн км дальше орбиты Цереры, т.е. он никак не мог принять участие в ее создании. Есть и другие косвенные признаки того, что Церера — гостья в Главном поясе. Как уже упоминалось, воды в карликовой планете несравнимо больше чем в астероидах по-соседству. Исключения только в «выродившихся» кометах, и дальних астероидах у орбиты Юпитера. Еще практически все крупные астероиды Главного пояса имеют собственные семейства, т.е. группы мелких астероидов, которые имеют общие спектральные характеристики и близкие орбиты, а у Цереры такого нет.
В целом, следует признать, что Церера по форме и составу больше похожа на большие спутники Юпитера или даже на остальные карликовые планеты, вроде Плутона. Шарообразные спутники Сатурна в основном имеют меньшую плотность чем Церера, за счет большего содержания льда. Плутон плотнее ледяных спутников, но до Цереры не дотягивает, но она могла набрать плотность за счет «сброса» легких газов, уже после приближения к Солнцу. Наклон орбиты Цереры подсказывает, что она прибыла не от Юпитера, так что возможно когда-то она была карликовой планетой на задворках Солнечной системы. Возможно более подробное изучение даст ответы.
Dawn сейчас готовится перейти на самую низкую финальную орбиту высотой 50 км, это обещает новые подробности на поверхности и новые открытия. Хотя в перспективе стоило бы запустить туда и посадочный зонд. Уже совершенных открытий достаточно чтобы понять ее высокое значение для исследования истории и эволюции Солнечной системы.
