BepiColombo je multidisciplinární meziplanetární misí, která se navíc skládá hned ze dvou vědeckých družic, které budou podrobně zkoumat nejméně probádanou terestrickou planetu Sluneční soustavy. Díky velkému množství tajemství, které Merkur skýtá a díky složitosti celé mise, která s sebou nese 16 vědeckých přístrojů, se v BepiColombo skrývá obrovský potenciál v oblasti průzkumu Sluneční soustavy a její historie. V minulém díle tohoto seriálu jsme se podívali na hlavní a podpůrné systémy vědecké družice Mercury Planetary Observer (MPO), což je hlavní vědecký průzkumník mise BepiColombo, za jehož výrobu a provoz je zodpovědná Evropská kosmická agentura (ESA). Jelikož už víme, jak funguje pohonný i navigační systém MPO, známe funkci a charakteristiky jejího solárního panelu, sady antén i termoregulačního systému, je čas podívat se dnes na to hlavní, tedy vědecké přístroje, které MPO na své palubě nese.

Vědecké přístroje družice Mercury Planetary Orbiter (1/2)

Jak již bylo popsáno v minulém díle Návratu k poslovi bohů, ve kterém jsme si podrobně popsali orientaci sondy a jejích zařízení, velká část vědeckých přístrojů se nachází na straně družice, která bude neustále směřovat k Merkuru. Tím bude zajištěn nepřetržitý výhled těchto zařízení na hlavní objekt jejich zkoumání, tedy na povrch planety. Jsou zde ale i výjimky, které na povrch „vidět“ nepotřebují. Družice MPO celkově obsahuje 11 přístrojů, z nichž 5 se nachází na její „spodní“ straně. Ostatní se nacházejí buďto ve vnitřních útrobách, na výklopném rameni nebo jiných stranách tělesa. Jejich rozložení a pozice můžete vidět na obrázku vpravo. Nenechte se však zmást tím, že je zde více než avizovaných 11 položek. Některé z přístrojů totiž vyžadují umístění více senzorů na různých místech sondy nebo se jednoduše skládají z více různých součástí. Z celkové hmotnosti MPO, která činí 1 230 kg včetně paliva, připadá na vědecké přístroje přibližně 80 kg. A nyní už si pojďme představit jednotlivé experimenty.

BELA

BepiColombo Laser Altimeter
laserový výškoměr

Hlavní výzkumný pracovník: Nicolas Thomas, Oddělení vesmírného výzkumu Univerzity v Bernu, Švýcarsko. Hauke Hussmann, Institut planetárního výzkumu DLR, Berlín, Německo.

Vědecké cíle

Laserový výškoměr BELA poskytne charakteristiku a přesná měření topografie a morfologie povrchu Merkuru. Určí absolutní topografickou výšku povrchových útvarů a jejich pozici vzhledem k souřadnicovému systému Merkuru. Tyto informace budou využity k tvorbě digitálního modelu terénu, který umožní kvantitativní průzkum geologie, tektoniky a stáří povrchu planety. Ve spolupráci se stereoskopickou kamerou STC (částí experimentu SIMBIO-SYS) BELA zlepší naši znalost geologie Merkuru, zejména pak jeho morfologie, stáří, tektoniky, vulkanismu a evoluce planety jako celku.

Princip měření

BELA využívá klasického měření laserového výškoměru. Generovaný laserový paprsek na povrchu planety dosáhne šířky 20 – 50 metrů. Poté se od povrchu odrazí a za přibližně 5 ms jeho nepatrný zlomek doputuje zpět do optické soustavy výškoměru. Obraz se opětovně zaostří a pak se přijatý signál převede do elektronického systému pro selekci impulzů. Systém určí čas putování laserového paprsku, intenzitu získaného pulzu a jeho šířku. Po digitalizaci bude získán celkový obraz tvaru získaného pulzu. Tato data budou následně předána počítači, který řídí celý proces a je napojen na rozhraní družice. Zde dojde ke kompresi dat a jejich uložení. Přístroj vyžaduje významné řízení teploty, ale může operovat na denní i noční polokouli, čímž umožní optimální zisk dat za minimální dobu trvání.

BELA poskytne časové rozlišení 2 nanosekundy, což odpovídá očekávaným znalostem o pozici družice. Zisk optimálních dat je očekáván do výšky 1 050 km nad povrchem. Vzorky měření budou získávány každých 250 metrů v pásech směřujících od pólu k pólu, které od sebe budou na rovníku rozestoupeny o 25 km. Směrem k pólům se tato vzdálenost bude samozřejmě snižovat a v průběhu celé mise pak díky mnoha průletům klesne rozestup naměřených bodů u rovníku až na 6 km. BELA poskytne informace o intenzitě a šíři odraženého paprsku, což umožní vyhodnocení odrazivosti povrchu a jeho hrubosti v rozmezí 20 – 50 metrů a to včetně trvale zastíněných kráterů na pólech, kde očekáváme vodní led.

Po přijetí na Zemi budou data převedena do výškových profilů za pomoci rekonstrukce oběžné dráhy družice. Data budou radiometricky kalibrována, aby poskytla údaje o lokálním albedu a drsnosti. Lokální topografické mapy budou vytvářeny téměř okamžitě. Tvorba globální topografické mapy, 3D modelů a dalších podrobných produktů bude vyžadovat komplexnější dlouhodobou analýzu a kompletní datové balíky získané v průběhu měsíců. K získání globálních a regionálních modelů terénu, mapy tloušťky planetární kůry a modelu působení slapových sil, bude potřeba zahrnutí výsledků rádiového experimentu MORE a stereoskopických snímků ze SIMBIO-SYS.

ISA

Itallian Spring Accelerometer
akcelerometr

Hlavní výzkumný pracovník: Valerio Iafolla, INAF-IAPS (Astrofyzikální a planetologický ústav), Řím, Itálie.

Vědecké cíle

ISA je tříosý vysoce citlivý akcelerometr nacházející se v útrobách MPO velmi blízko jeho těžiště. Jeho hlavním úkolem bude podpora planetárního výzkumu Merkuru a také ověřování principů Einsteinovy obecné teorie relativity s doposud nevídanou přesností. K uskutečnění těchto měření bude zapotřebí kombinace dat ze čtyř různých přístrojů umístěných na MPO: hvězdných čidel, kamery s vysokým rozlišením, akcelerometru a radiového transpondéru. Akcelerometr bude měřit veškerá inerciální zrychlení způsobované viditelným slunečním zářením a jeho odrazy od povrchu Merkuru, které bude ovlivňovat dráhu družice, aby jej následně transformoval do korekcí polohy družice a posteriori.

Vědecké cíle akcelerometru ISA úzce souvisejí s radiovým experimentem MORE. Tyto dva přístroje společně poskytnou informace o vnitřní struktuře Merkuru a navíc otestují i Einsteinovu obecnou teorii relativity. ISA společně s MORE tedy budou studovat globální gravitační pole Merkuru a jeho změny vlivem slapových sil v průběhu času za účelem poznání vnitřní struktury planety. Budou také zkoumat lokální gravitační anomálie, aby umožnili poznat strukturu planetárního pláště a rozhraní mezi pláštěm a kůrou. Kromě toho budou měřit i rotaci Merkuru, která nepřímo poskytne údaje o jeho jádru. V neposlední řadě se pak budou zabývat pohybem těžiště planety za účelem zpřesnění post-Newtonských parametrů obecné teorie relativity.

Princip měření

Měření nezbytná k dosažení výše uvedených vědeckých cílů jsou založena na:
– znalosti vzdálenosti a rozmezí vzdáleností pozice MPO vzhledem k pozemním radarovým stanicím a jejich derivace, a také polohou těžiště Merkuru vzhledem ke Slunci;
– rozpoznání negravitačních vlivů působících na MPO;
– určení přesné orientace MPO v prostoru za pomocí hvězdných čidel;
– stanovení úhlových vzdáleností referenčních bodů na povrchu planety.

Klíčovou rolí akcelerometru ISA bude vyloučení negravitačních vlivů, které by narušovaly vysoce přesné výpočty. Akcelerometr pracuje na frekvencích nižších, než je rezonanční frekvence mechanického oscilátoru. Pohyb referenčního tělesa v závislosti na zrychlení bude detekován pomocí kapacitních měničů následovaných nízkošumovým zesilovačem. Tato měření budou klíčová pro k přesnému určení parametrů oběžné dráhy MPO okolo Merkuru a díky tomu i k určení pozice těžiště Merkuru vzhledem ke Slunci.

MPO-MAG

Mercury Planetary Orbiter’s Magnetometer
magnetometr

Magnetometry BepiColombo se nacházejí nejen na MPO (MPO-MAG), ale také na japonské družici MMO (MMO-MGF). Některá měření jsou přitom možná pouze za použití obou zařízení.

Vědecké cíle

MPO-MAG je dvojitý digitální vektorový magnetometr, který bude použit k měření stejnosměrného proudu a nízkofrekvenčních nepravidelností magnetického pole. Nachází se na výklopném rameni o délce 2,8 m, na kterém jsou umístěny dva senzory – jeden ve vzdálenosti 80 cm od konce ramene a druhý na jeho konci. Primárním cílem MPO-MAG je poskytnutí měření, která povedou k podrobnému popisu planetárního magnetického pole Merkuru a jeho zdroje. Snahou je přispět k pochopení původu, evoluce a aktuálního stavu vnitřní struktury planety. Toho bude dosaženo s použitím přesných měření magnetického pole na nízké oběžné dráze, které bude podpořeno a doplněno měřeními MMO-MGF z družice MMO, a to jak k rozlišení účinků magnetosféry Merkuru na měření MPO, tak k rozšíření zdrojové databáze pro studium vnitřní struktury planety.

Sekundární cíl MPO-MAG souvisí s interakcí slunečního větru s magnetickým polem Merkuru i s planetou samotnou, tvorbou a dynamikou magnetosféry a v neposlední řadě také s procesy, které řídí interakci magnetosféry s planetou. Konkrétněji, měření z nízké výšky nad povrchem stanoví podmínky přístupu slunečního větru k planetárnímu povrchu a posoudí roli a důležitost různých elektrických proudů včetně podpovrchových indukčních proudů a vodivosti regolitu. Těchto cílů bude dosahováno za pomoci a úzké spolupráce s japonským týmem starajícím se o výzkum magnetického pole pomocí přístroje MMO-MGF.

Princip měření

Na rameni MPO-MAG jsou umístěny dva identické magnetometry každý s vlastní elektronikou. Použití dvou senzorů, které se od těla družice nacházejí ve vzdálenostech 2 m a 2,8 m, bylo zvoleno z důvodu určení míry ovlivnění magnetometru družicí samotnou. Rameno magnetometru je tedy klíčovou součástí tohoto přístroje, která umožní určit míru magnetického rušení přicházejícího z MPO. Celá sestava MPO-MAG se skládá ze dvou senzorů s termálními ochrannými krytkami, výklopného ramene, elektronické řídicí jednotky a elektronického rozhraní spojujícího tuto jednotku se senzory. Jak již bylo řečeno, oba senzory se nacházejí na výklopném rameni, avšak elektronická řídicí jednotka je umístěna uvnitř těla družice.

MPO-MAG je do značné míry ve své práci autonomní a vyžaduje minimum řízení. Jediný příkaz nutný pro jeho provoz je výběr z několika vědeckých režimů a s tím související volba přenosových rychlostí získaných dat. Oba senzory budou měřit hodnoty magnetického pole se vzorkovací frekvencí 128 Hz. Tato data budou na palubě družice řídicí jednotkou MPO-MAG redukována na nižší frekvence o hodnotách 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1 nebo 0,5 Hz v závislosti na zvoleném vědeckém režimu.

Pro dosažení primárních vědeckých cílů je nutné oddělit naměřené hodnoty magnetického pole na jejich vnitřní a vnější příspěvky. Je zapotřebí měřeními pokrýt téměř celý povrch planety a zároveň provést maximální možné množství měření nad jakýmkoliv místem povrchu, aby mohl být stabilizován inverzní postup a odstraněny intervaly obsahující struktury přechodných polí vznikajících v důsledku magnetosférických procesů.

MERTIS

Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer
radiometr a infračervený spektrometr

Vědecké cíle

Cílem experimentu MERTIS je poskytnout podrobné informace o mineralogickém složení povrchových vrstev Merkuru. Toho bude dosaženo za pomoci měření spektrálního vyzařování rozdílných oblastí povrchu, které bude prováděno s vysokým spektrálním rozlišením. Znalost mineralogického složení je klíčová pro výběr nejlepší z několika soupeřících teorií a modelů o vzniku a vývoji planety. MERTIS má čtyři hlavní vědecké cíle: studium složení povrchu Merkuru, identifikace horninotvorných minerálů, mapování mineralogie povrchu, a studium povrchové teploty a tepelné setrvačnosti.

Princip měření

Funkčnost přístroje je postavena na postupném osvětlení čtyř cílů – planety, otevřeného kosmu a dvou černých referenčních těles o teplotách 300 a 700 K. MERTIS pokryje vlnové délky od 7 do 14 mikrometrů. To umožní detekci hlavních rysů v uvedeném spektrálním rozsahu, jako jsou Christiansonovy kmitočty (maxima vyzařování) nebo minima vyzařování reziduálních paprsků. MERTIS navíc bude schopen změřit termofyzikální vlastnosti povrchu, jako jsou tepelná setrvačnost nebo vnitřní tepelný tok.

MERTIS je infračervený spektrometr, který využije technologii mikrobolometrických obrazových snímačů, které nevyžadují chlazení, a které je vhodné použít v horkém prostředí oběžné dráhy Merkuru. Jeho zorné pole jsou 4° a jeho difrakční mřížka kombinuje v jednom prvku také zobrazovací funkci. Spektrograf má vysoké spektroskopické rozlišení dosahující až 90 nanometrů, které lze přizpůsobit v závislosti na skutečných vlastnostech povrchu pro optimalizaci poměru signálu a šumu. MERTIS provede globální mapování planety s prostorovým rozlišením 500 m a hodnotou poměru signálu k šumu nejméně 100. Při typickém pozorování denní polokoule planety může poměru signálu k šumu překročit 1000 dokonce i u jemnozrnného a částečně sklovitého povrchu. Flexibilita možností nastavení přístroje umožní studium složení polárních depozitů s vysokou radarovou odrazivostí s poměrem signálu k šumu větším než 50 pro povrch s předpokládanou teplotou 200 K. Nakonec MERTIS vytvoří klasifikační mapy globálního rozložení typů povrchů na Merkuru.

MGNS

Mercury Gamma-Ray and Neutron Spectrometer
neutronový a gamma spektrometr

Hlavní výzkumný pracovník: Igor Mitrofanov, Institut vesmírného výzkumu (IKI), Ruská akademie věd, Moskva, Rusko.

Vědecké cíle

Hlavním cílem neutronového a gamma spektrometru je určení základního složení rozlišitelných regionů na celém povrchu Merkuru. Toho bude dosaženo měřením spektrálních čar hlavních složek tvořících půdu, toku rozptýlených neutronů a spektrálních čar přirozených radioaktivních prvků s přesností 10 – 30 % a s povrchovým rozlišením okolo 400 km v perihermu MPO. Sekundárním cílem je určení regionálního rozložení těkavých depozitů v polárních oblastech Merkuru, které se nacházejí uvnitř trvale zastíněných kráterů, a poskytnout mapu hustotních sloupců těchto depozitů s přesností 0,1 g/cm².

MGNS je založen na dvou oddělených segmentech obsahujících pět samostatných detektorů. Prvním segmentem je gamma spektrometr MGRS (Mercury Gamma Ray Spectrometer) využívající LaBr3 scintilační detektor. Druhým segmentem je neutronový spektrometr MNS (Mercury Neutron Spectrometer) sestávající se ze tří neutronových senzorů – SD1, SD2 a MD. MGNS je vyvinut na základě odkazu experimentu HEND, který se nachází na palubě Mars Odyssey.

Princip měření

MGNS bude měřit tok neutronů a paprsků gamma z povrchu Merkuru, které vznikají při bombardování galaktickým kosmickým zářením nebo při přirozeném radioaktivním rozpadu některých prvků. Na oběžné dráze Merkuru bude tento přístroj pracovat nepřetržitě a jeho detektory budou směřovat přímo k povrchu. Do standardních datových rámců MGNS budou zahrnuta i základní vědecká a telemetrická data. Tyto rámce budou mít standardní strukturu a budou obsahovat čas vědeckého přístroje i čas družice s přesností větší než jedna milisekunda. Délka shromažďování dat v jednom datovém rámci se bude pohybovat mezi 10 sekundami a několika minutami, což umožní vytvářet pixelizovanou mapu Merkuru s optimálním povrchovým rozlišením. Následná vědecká analýza bude probíhat na Zemi a bude založena na porovnávání získaných dat s numerickými simulacemi metody Monte Carlo.

MIXS

Mercury Imaging X-Ray Spectrometer
rentgenový spektrometr

Hlavní výzkumný pracovník: Emma Bunce, Centrum vesmírného výzkumu Univerzity v Leicesteru, Velká Británie.

Vědecké cíle

MIXS má hned tři hlavní vědecké cíle. Prvním je tvorba globálních map hojnosti horninotvorných prvků s přesností 5 – 50 % v závislosti na jejich koncentraci. Druhým je mapování rozložení těchto prvků s vysokým prostorovým rozlišením. Třetím je pak potvrzení, že aurorální zóna, ve které energetické částice interagují s povrchem, je intenzivním a stálým zdrojem rentgenových paprsků. Dosažení těchto cílů umožní řešit klíčové vědecké otázky týkající se vzniku Merkuru, jeho vývoje, povahy změn jeho povrchu (např. vznik kráterů či vulkanická činnost), a také struktury a variací magnetosféry.

MIXS byl navržen pro provádění fluorescenční analýzy rentgenového záření (XRF). Tato spektroskopická metoda je pro analýzu atomárního složení těles bez atmosféry ve vnitřní Sluneční soustavě dobře známá. Všechny experimenty XRF se spoléhají na solární koronární rentgenové paprsky, které poskytují primární ozáření. Ty v prvních mikrometrech povrchových vrstev Merkuru excitují emise elektronů z elektronového obalu atomu.  XRF v energetickém rozsahu 0,5 – 7,5 keV umožňuje absolutní kvantifikaci množství lehkých horninotvorných prvků od hořčíku po železo. Předpokladem pro dosažení této absolutní kvantifikace je úplná charakterizace vysoce variabilního slunečního energetického toku dopadajícího na povrch. Tyto referenční informace MIXS získá od partnerského vědeckého přístroje SIXS.

Princip měření

Vědecký zisk z přístroje MIXS bude záviset na intenzitě a spektrálním sklonu slunečního spektra a na konverzních vlastnostech planetárního povrchu. Primární vědecké cíle popsané výše mohou být dosaženy pouze za pomocí dvou optických elementů: MIXS-T je optický teleskop s vysokým rozlišením o nízké hmotnosti s úzkým zorným polem o šíři 1° určený k mapování planetárního povrchu. MIXS-C je pak kolimátor poskytující efektivní sběr energetického toku napříč širokým spektrem se zorným polem o šíři ~10°. Signály z obou optických kanálů jsou čteny křemíkovým čipem o velikosti 20 × 20 mm, který je chlazen na -45°C a je odolný proti radiaci.

Práce přístroje MIXS bude probíhat na denní i noční polokouli Merkuru. Pozorování neosvětlené strany planety budou možná díky velkému toku očekávaného z aurorálních oblouků. Data budou následně kalibrována a zpracována na Zemi.

Jak bylo řečeno na začátku článku, družice MPO má celkově 11 vědeckých přístrojů. Právě jsme si popsali 6 z nich. Aby toho nebylo na jeden článek až příliš, necháme si popis zbylých pěti zase na příští sobotu. Na závěr se ještě pro shrnutí a zopakování podívejme na infografiku, kde je všech 11 přístrojů velice jednoduše popsáno včetně schematického znázornění jejich umístění na družici.

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

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/
https://www.cosmos.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/