Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) neboli Mio, je menší ze dvou vědeckých družic mise BepiColombo, která v říjnu odstartovala na svou dlouhou cestu k Merkuru, a která bude od začátku roku 2026 nejmenší planetu Sluneční soustavy zkoumat. K tomu využije pětice vědeckých přístrojů, které nese na své palubě. Dalších jedenáct experimentů má k dispozici její evropský spolucestující, evropská vědecká družice Mercury Planetary Orbiter (MPO). Tyto přístroje jsme si již popsali v devátém a desátém díle našeho seriálu Návrat k poslovi bohů. Dnes nám tedy zbývá podívat se na zmiňovanou pětici, pomocí které bude Mio zkoumat Merkur.

Vědecké přístroje družice Mercury Magnetospheric Orbiter

Z celkové hmotnosti MMO, která činí 275 kg, připadá na vědecký náklad přibližně šestina, tedy 45 kg, které jsou rozděleny mezi 5 experimentů. Oblasti studia těchto přístrojů se výrazně liší od těch, které s sebou nese MPO. Je to dáno rozdílným zaměřením obou družic, čemuž odpovídají i odlišné oběžné dráhy, na kterých budou operovat. Pojďme si tedy zmiňovanou pětku představit.

MDM

Mercury Dust Monitor
prachový detektor

Hlavní výzkumný pracovník: Masanori Kobayashi, Technologický institut Chiba, Japonsko.

Vědecké cíle

Hlavním cílem MDM je průzkum prachových částic v okolí Merkuru a celém regionu jeho oběžné dráhy, tedy v rozmezí vzdáleností 0,31 – 0,47 au od Slunce. Přístroj dokáže ve svém zorném poli, které pokrývá téměř celou polosféru, detekovat pohybovou energii dopadající prachové částice, přibližný směr jejího pohybu a její hustotu. Předpokládá se, že prachové částice ve vnitřní části Sluneční soustavy pocházejí z planetek a komet. Jedním z očekávaných výsledků je určení proudění beta-meteoroidů a proudění keplerovských prachových částic s nízkou excentricitou, které zpomalují a přibližují se ke Slunci kvůli Poyntingově-Robertsonově jevu (viz Slovníček). Místní měření prachových částic by mělo potvrdit, probíhá-li v regionu Merkuru změna velikosti prachových částic vlivem jejich vzájemných srážek. Vysokorychlostní dopady prachových částic do regolitu na povrchu Merkuru jsou považovány za jeden z mechanismů povrchové eroze (spektrální ztmavení a zčervenání) a také za zdroj řídké exosféry. Ta je doplňována prachovými částicemi, které při dopadech meteoritů různých velikostí získají únikovou rychlost z povrchu planety.

Princip měření

Přístroj MDM se skládá ze čtyř piezoelektrických keramických senzorů o rozměrech 40 × 40 mm a souhrnnou plochou 64 cm2 vyrobených z piezoelektrických keramických vláken titanitu zirkoničitého (PZT). PZT dokáže odolávat teplotám až 230°C a nepotřebuje pro svůj provoz vysoké napětí. Jednotka se čtyřmi senzory je k družici připojena na vnější straně jednoho z postranních panelů. Řídicí elektronika se pak nachází uvnitř těla MMO. Během operační mise se očekává naměření 100 – 200 dopadů prachových částic v průběhu jednoho pozemského roku. Každý impakt může generovat až 1000 datových bodů a MDM dokáže najednou uložit údaje až 30 impaktů.

MMO-MGF

Mercury Magnetospheric Orbiter – Mercury Magnetometer
magnetometr

Hlavní výzkumný pracovník: Wofgang Baumjohann, Austrian Space Science, Štýrský Hradec, Rakousko.

Vědecké cíle

Porozumění magnetosféře Merkuru je důležité nejen pro pochopení Merkuru jako celku, ale také pro lepší porozumění magnetosférám, které studujeme u jiných planet, jako například u Země, Jupiteru nebo Saturnu. Rychlost slunečního větru u Merkuru je téměř totožná s rychlostí u Země, ale magnituda meziplanetárního magnetického pole je pětinásobná a jeho hustota téměř desetinásobná. Známé procesy se tedy v Merkurově magnetosféře odehrávají mnohem rychleji (asi třicetkrát) než u Země a proto musejí být měření prováděna mnohem vyšší frekvencí než v magnetosféře naší planety. Právě proto bude MMO-MGF provádět svá měření s vzorkovací frekvencí 128 Hz. Pozorování magnetického pole s vysokým časovým rozlišením pomůže objasnit roli magnetických fluktuací při ohřívání a urychlování slunečního větru. MMO-MGF samozřejmě bude spolupracovat i s magnetometrem MPO-MAG, který se nachází na družici Mercury Planetary Orbiter, a který jsme si představili v devátém díle. Společnými silami budou měřit vnitřní magnetické pole Merkuru a MMO-MGF zejména pomůže určit rozlišit časové výkyvy od prostorových variací.

Princip měření

MMO-MGF se skládá ze dvou samostatných trojosých vektorových magnetometrů – MGF-O a MGF-I. Digitální senzor magnetometru MGF-O (MGF-OS) je umístěn na konci jednoho z výsuvných ramen. Analogový senzor druhého magnetometru MGF-I (MGF-IS) se nachází 1,6 metru od svého digitálního kolegy. Použití dvou samostatných senzorů na různých místech umožní měření okolního magnetického pole při vyjmutí rušivých elektromagnetických účinků samotné družice. Oba magnetometry mají dynamický rozsah ±2000 nanotesla a poskytují nezpracovaná data elektronické jednotce DPU. V konstrukci MGF je redundance pro měření magnetického pole implementována v nejvyšší možné míře. Dva samostatné magnetometry MGF-O a MGF-I jsou připojeny ke dvěma samostatným jednotkám DPU. Elektrická energie je do obou okruhů dodávána dvěma nezávislými zdroji PSU. Konstrukce obou přístrojů, jejich senzorů i elektroniky, je navíc zcela odlišná, a tak je totální selhání výzkumu magnetického pole pomocí MMO velmi nepravděpodobné. Vzorkovací frekvence dat odesílaných na Zemi bude flexibilní a bude se přizpůsobovat na základě požadavků při zkoumání jednotlivých procesů v různých pozorovacích regionech.

MPPE

Mercury Plasma Particle Experiment
sada senzorů vysokoenergetických částic

Hlavní výzkumný pracovník: Yoshifumi Saito, Institut vesmírných a astronautických věd (ISAS), JAXA, Kanagawa, Japonsko.

Vědecké cíle

MPPE je komplexní přístrojový balíček pro měření plazmatu, vysokoenergetických částic a energetických neutrálních atomů, který se skládá z celkem sedmi senzorů. Hlavními vědeckými cíli MPPE je studium struktury, dynamiky a fyzikálních procesů magnetosféry Merkuru, interakcí mezi povrchem, exosférou a magnetosférou, a fyziky vnitřní heliosféry. Interakce slunečního větru a Merkurovy magnetosféry je z mnoha důvodů unikátní. Například z důvodu relativní blízkosti slunce a slabého vnitřního magnetické pole Merkuru je jeho magnetosféra značně stlačena. Odhadovaná vzdálenost magnetopauzy v subsolárním směru je menší než polovina poloměru planety. To by mohlo znamenat, že sluneční vítr může čas od času interagovat přímo s povrchem planety. Jak tento druh přímé interakce s povrchem ovlivňuje ostatní magnetosférické procesy, je zajímavá otázka, která nikdy nemůže být zodpovězena studiem jiných planetárních magnetosfér.

Princip měření

MPPE se skládá ze sedmi senzorů. Prvními dvěma z nich jsou dva analyzátory elektronového energetického spektra MEA1 a MEA2. Dalšími detektory jsou analyzátor iontů MSA a iontového energetického spektra MIA, detektor vysokoenergetických elektronů HEP-ele, detektor vysokoenergetických iontů HEP-ion a ENA. Čtyři detektory částic o nižších energiích MEA1, MEA2, MIA a MSA jsou umístěny na protilehlých rozích osmiúhelníkového těla MMO, aby bylo při měření nabitých částic minimalizováno rušení družice samotné. Měření s vysokým časovým rozlišením je uskutečňováno díky umístění dvou elektronových senzorů (MEA1 a MEA2) a dvou iontových senzorů (MIA a MSA) vždy v 90° vzájemných rozestupech. Detektor vysokoenergetických iontů HEP-ion má kónické zorné pole zatímco detektor vysokoenergetických elektronů HEP-ele a ENA mají radiální zorná pole. Jelikož jsou tepelné podmínky v okolí Merkuru extrémní, má každý ze senzorů MPPE svůj vlastní tepelný štít, který minimalizuje tepelný zisk na vstupu. Všechny senzory MPPE jsou řízeny společnou řídicí jednotkou MDP1 (Mission Data Processor). Data získaná sedmi senzory se tedy odešlou do MDP1, kde se zpracují, zformátují, spočítají se momenty rychlostí a výsledný objem dat se zkomprimuje.

MSASI

Mercury Sodium Atmosphere Spectral Imager
spektrometr

Hlavní výzkumný pracovník: Ichiro Yoshikawa, Tokijská univerzita, Japonsko.

Vědecké cíle

Přístroj MSASI, jehož název je vyslovován jako „musaši“, je spektrometr určený k měření úzkých emisních čar sodíku (589 nm ± 0.028 nm) na pozadí osvětleného povrchu Merkuru. Jediný interferometr Fabry-Pérot je použit v kombinaci s filtrem o propustnosti ve velmi úzké části spektra. Snímky celého disku planety jsou získány díky kombinaci otočného zrcadla a rotace družice. Mezi vědecké cíle MSASI patří určení dominantního procesu, který je zodpovědný za únik sodíku do exosféry Merkuru, měření asymetrie prostorového rozložení sodíku mezi částí povrchu za úsvitu a za soumraku, studium sodíkového ohonu planety a související topografické efekty. Vědci se domnívají, že mezi zdrojové procesy stojící za uvolňováním sodíku patří termální desorpce, fotonově stimulovaná desorpce, rozprašování dopadajícími částicemi slunečního větru a vypařování meteoroidů. Cílem přístroje MSASI je pozorovat severojižní rozložení a měřit časové variace rychlosti uvolňování atomů sodíku. Díky této schopnosti bude možné zjistit potenciální procesy úniků a jejich zdroje. Jednou z nevyřešených záhad Merkuru je prostorová asymetrie hustoty sodíku, která byla pozorována pouze některými výzkumníky. V oblastech, kde se na povrchu rozednívá, někteří naměřili třikrát větší hustotu sodíku, než na opačné straně planety.

Princip měření

Interferometr Fabry-Pérot vytváří v ohniskové rovině vzorek soustředných kruhů. Část tohoto okrouhlého lemování (oblouk orientovaný ve směru rotace družice) je použita jako 1D obraz. Okamžité zorné pole se každé 2 ms posune o 0,18°. Proto lze pomocí kombinace rotace družice a skenovacího zrcadla s jedním stupněm volnosti o rozměrech 15 × 25 mm měnit zorné pole od 25° do 55° a získat snímky celého disku planety a jejího sodíkového ohonu. Jako fotonový detektor je v tomto případě použit radiačně odolný senzor CMOS se zesilovačem obrazu.

PWI

Plasma Wave Investigation
detektor plazmových a radiových vln

Hlavní výzkumný pracovník: Yasumasa Kasaba, Univerzita Tohoku, Sendai, Japonsko.

Vědecké cíle

PWI nám umožní studovat události elektrických polí, plazmových vln a radiových vln v okolí Merkuru a to díky kontaktním i dálkovým měřením. Měření globálního elektrického pole poskytne informace o přenosu plazmatu a jeho urychlování v magnetosféře. Plazmové vlny poskytnou informace o výměnách energie a hybnosti, ke kterým u plazmatu dochází. A radiové vlny mohou být využity jako nástroje pro dálkové sledování magnetosférických událostí. Ve spolupráci s ostatními kontaktními i dálkovými měřeními mise BepiColombo, které budou probíhat na družicích MMO i MPO, tak poskytne důležité informace o struktuře, dynamice a fyzikálních procesech unikátní Merkurovy magnetosféry i exosféry. Hlavní vědecké cíle přístroje PWI lze rozdělit do pěti skupin: 1. Struktura magnetosféry (identifikace regionů a jejich hranic, globální konvekce, teplotní a hustotní profily, rozptyl v nízkých výškách, propagace plazmových vln); 2. Dynamika magnetosféry (vazby magnetosféry se slunečním větrem, reakce na sluneční vítr, vazby magnetosféry a exosféry, hledání přechodných radiačních pásů); 3. Přenosy energie (podstata magnetických bouří Merkuru, rekonexe, identifikace aurorálních procesů); 4. Interakce vln a částic (nelineární kinetické procesy, negyrotropní účinky); 5. Diagnostika slunečního záření (pozorování kosmického počasí, stereoskopické pozorování, měření dopadu prachových částic ve spolupráci s MDM).

Princip měření

PWI se skládá ze dvou sad senzorů pro elektrická pole (MEFISTO a WPT) a dvou druhů senzorů magnetického pole (LF-SC a DB-SC), které jsou připojeny ke třem přijímačům (EWO, SORBET a AM2P). PWI bude pozorovat jak časový průběh signálu, tak frekvenční spektra ve frekvenčním rozsahu DC – 10 MHz u elektrického pole a 0,1 Hz – 640 kHz u magnetického pole. Na obrázku vpravo můžete vidět rozmístění senzorů MEFISTO (Mercury Electric Field In-Situ Tool) a WPT (Wire-Probe anTenna), což jsou dlouhé patnáctimetrové antény, které se rozvinou na opačných stranách družice a poskytnou dvojrozměrný pohled na elektrické pole. LF-SC (Low-Frequency Search Coils) a DB-SC (Dual-Band Search Coil) jsou senzory magnetického pole, které se nachází na konci ramene magnetometru. LF-SC má dvě cívky ve dvou různých orientacích, které sledují magnetické vlny ve frekvenčním rozsahu 0,1 Hz – 20 kHz. DB-SC má dvě cívky, které jsou společně v jedné orientaci, která se od orientace cívek LF-SC liší. Jedna z nich detekuje nízkofrekvenční fluktuace v rozmezí 0,1 Hz – 20 kHz a druhá vysokofrekvenční fluktuace v rozmezí 10 kHz – 640 kHz. Tyto čtyři senzory poskytují data pro tři různé přijímače: SORBET (Spectroscopie Ondes Radion and Bruit Electrostatique Thermique), který se stará o spektroskopii radiových vln a elektrostatického šumu; AM2P (Active Measurement of Mercury’s Plasma), který se zabývá měřením plazmatu; a EWO, který se dále skládá z dalších třech částí: EFD (Electric Field Detector), WFC (WaveForm Capture) a OFA (Onboard Frequency Analyser).

Uvedená pětice vědeckých experimentů na palubě družice MMO se tedy, zjednodušeně řečeno, zaměří především na okolí Merkuru, zatímco na planetu samotnou se blíže podívá 11 přístrojů evropské družice MPO, které jsme si popsali v předchozích dílech. Mnohé výzkumy však budou probíhat společně či se budou vzájemně doplňovat, díky čemuž nám BepiColombo poskytne o Merkuru doposud nevídaná data a výrazně posune naše znalosti historie Sluneční soustavy i vzniku terestrických planet obecně. Závěrem si ještě v rychlosti zopakujme názvy pěti vědeckých přístrojů MMO a jejich cíle na následující infografice.

zdroje informací:
http://www.esa.int/ESA
http://sci.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.aldebaran.cz/

zdroje obrázků:
European Space Agency (ESA): BepiColombo Launch Media Kit. 2018.
http://sci.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/