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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.