Japonská součást BepiColombo přináší zajímavá data

Japonská součást BepiColombo přináší zajímavá data

24. července 2023

BepiColombo-First-Mercury-Flyby-3-scaled

Mise BepiColombo je společným projektem japonské a evropské kosmické agentury tvořeným dvojicí sond. Evropská sonda nese název MPO, zatímco japonská se označuje jako MMO, přičemž se pro ni používá i familiární označení Mio. BepiColombo je přelomová mise, jelikož ještě nikdy necestovaly dva orbitery k jiné planetě společně. Během 1. října 2021 provedla BepiColombo první průlet kolem Merkuru, který pomohl upravit její rychlost tak, aby mohlo v roce 2025 dojít k doručení obou družic na oběžnou dráhu této planety. Pečlivá analýza nasbíraných údajů o plazmatu zachycená sondou Mio prokazuje, že její senzory poprvé zažily situaci, kdy došlo k urychlení elektronů v magnetosféře a jejich spadu na povrch planety. Dopadající elektrony vytvořily na povrchu polární záři pozorovatelnou v rentgenovém oboru. Podle vědců může jít o univerzální mechanismus vzbuzující polární záři, a to i v magnetickém prostředí velmi odlišném od zemského.

Japonská sonda MMO (Mio) nasbírala během průletu kolem Merkuru informace o procesech, které urychlují a přemísťují elektrony. Jejich dopady na povrch planety pak vytvářejí rentgenové polární záře.
Zdroj: https://www.isas.jaxa.jp/

Planety s magnetickým polem jsou obklopeny magnetosférou, ve které je možné zaznamenat magnetické síly. Magnetosféra prochází změnami vyvolanými variacemi ve slunečním větru, což je nepřetržitý proud vysokoenergetických elektricky nabitých částic vycházející ze Slunce. V měnící se magnetosféře dochází k celé řadě fyzikálních procesů, mezi kterými najdeme také urychlování a přesun plazmatu (elektronů a pozitivně nabitých iontů). Jedním z pozoruhodných jevů, který je jejich výsledkem, je právě polární záře.

Díky předešlým studiím už víme, že magnetosféra Merkuru reaguje a mění se v závislosti na variacích slunečního větru mnohem rychleji než magnetosféra pozemská. Ovšem výsledné chování plazmatu (především pak negativně nabitých elektronů) byla zatím prozkoumána jen velmi slabě, což bylo způsobeno omezenými pozorovacími možnostmi. Při zmíněném průletu sonda Mio úspěšně a přímo měřila elektrony v blízkosti Merkuru. Výsledky ukazují, že urychlené elektrony v magnetosféře této planety klesají k povrchu, čímž vytváří jev označovaný jako rentgenová polární záře, kdy povrch Merkuru vyzařuje rentgenové paprsky. Tyto objevy naznačují, že přítomnost přicházejícího plazmatu vybuzujícího polární záře je univerzálním jevem, a to navzdory rozdílům ve struktuře magnetosféry a prostředí na různých planetách Sluneční soustavy.

Popis japonské sondy MMO (Mio).
Zdroj: https://www.cosmos.esa.int/

Tato analýza byla provedena mezinárodním výzkumným týmem z Institutu kosmických a astronautických věd ISAS, který spadá pod agenturu JAXA, Francouzského institutu kosmické astrofyziky a planetárního výzkumu IRAP, Laboratoře fyziky plazmatu LLP (Francie), Institutu Maxe Plancka pro průzkum Sluneční soustavy (Německo), Švédského institutu kosmické fyziky, Kjótské univerzity, Ósacké univerzity, Kanazawské univerzity a Tokaiské univezity. Výsledné poznatky byly publikovány 18. července 2023 ve vědeckém časopise Nature Communications.

Pozadí: Sluneční vítr a planetární magnetosféra

Aktuální sestava mise BepiColombo – zleva přeletový modul, evropská družice MPO, sluneční štít a japonská družice MMO (Mio). Ta je během přeletu z velké části kryta právě zmíněným slunečním štítem.
Zdroj: https://www.cosmos.esa.int/

Všechny planety Sluneční soustavy jsou vystaveny vysokorychlostnímu toku plazmatu, kterému se říká sluneční vítr a který vychází ze Slunce. Jak tento proud ovlivňuje prostředí planety záleží na mnoha faktorech – třeba jestli daná planeta disponuje vnitřním magnetickým polem (jako Země), nebo zda má hustou atmosféru. O Merkuru víme, že má slabé vnitřní magnetické pole. Dřívější studie naznačily, že magnetosféra Merkuru tvarovaná interakcí se slunečním větrem vykazovala podobné chování jako ta pozemská. Ale jelikož je síla magnetického pole Merkuru pouze setinová oproti pozemské, je magnetosféra Merkuru menší. Navíc se přepokládá, že relativně slabé vnitřní magnetické pole Merkuru způsobuje fyzické projevy, které se v magnetosféře planety objevují rychleji a v menších měřítcích oproti pozemské magnetosféře. Podrobnosti o mechanismech urychlování a přesunu plazmatu v podmínkách u Merkuru jsou zatím prostudovány jen velmi slabě. Jelikož je Merkur (společně s Zemí) jedinou kamennou planetou s magnetickým polem ve Sluneční soustavě, je porozumění procesům akcelerace a transportu plazmatu v jeho magnetosféře, ale i porovnání těchto procesů s těmi pozemskými, klíčové pro pochopení, jak sluneční vítr ovlivňuje prostředí planet.

Vnitřní struktura japonská sondy MMO (Mio).
Zdroj: https://www.cosmos.esa.int/

Interakce mezi slunečním větrem a magnetosférou, ale také změny prostředí v magnetosféře spojená s variacemi ve slunečním větru byly podrobně sledovány na Zemi. Hlavní výzkumný zájem je v tomto oboru zaměřen především na chování plazmatu, které je urychlováno a transportováno magnetickou rekonekcí (spojením a reorganizací siločar magnetického pole) nad noční stranou magnetosférického ohonu Země. Je již dobře prozkoumáno, že když plazma z noční strany dopadne do zemské atmosféry, může vybudit polární záře.

Americké sondy Mariner 10 a MESSENGER vyslané k Merkuru zjistily, že struktury magnetosféry Merkuru jsou velmi podobné těm u Země navzdory přesunu středu magnetického pole k severu od středu planety. V magnetosférickém ohonu dochází (stejně jako u Země) k magnetickým rekonekcím a dipolarizaci (rychlé změny tvaru siločar magnetického pole), což vede k akceleraci a přesunu plazmatu. Na druhou stranu také víme, že magnetosféra Merkuru je menší než ta pozemská. Kromě toho reaguje citlivěji na variace ve slunečním větru. Rozsah a úroveň urychlování plazmatu i jeho přesun v tomto odlišném prostředí zůstávají neznámé. Především jde o to, že pokud je plazma urychleno a přesunuto vstříc zemskému povrchu, vytváří po kolizích s pozemskou atmosférou polární záře. V případě Merkuru, který má velmi tenkou atmosféru, která se označuje jako exosféra, se předpokládá, že pokud plazma zamíří k povrchu planety, může do něj narazit aniž by před tím došlo k jeho kolizi s atmosférou.

MESSENGER na orbitě Merkuru.
Zdroj: http://procproto.czoběžné dráze

V takovém případě plazma po zásahu povrchu vydá rentgenové záření. Tento jev na Merkuru pozorovala už sonda MESSENGER a často bývá označován jako rentgenová polární záře. Jenže přítomnost dopadů elektronů, které vytváří rentgenové polární záře, byla zatím probírána pouze nepřímo a vše se zakládalo na dřívějších pozorováních. Přímá pozorování doposud nebyla možná, jelikož Mariner 10 i MESSENGER zanechaly nezodpovězené otázky spojené s tím, jak jsou urychlené elektrony transportovány do specifických oblastí Merkuru, nebo s jakou energií na povrch planety dopadají.

Výsledky: Pozorování sondy Mio

Základní díly tvořící sestavu BepiColombo odshora: Mercury Magnetospheric Orbiter, sluneční štít, Mercury Planetary Orbiter, Mercury Transfer Module.
Zdroj: http://www.esa.int/

Mise BepiColombo je společným projektem Evropy a Japonska k průzkumu Merkuru. Mise odstartovala v říjnu 2018 z Francouzské Guyany a sestava se nyní pohybuje meziplanetárním prostorem, přičemž na oběžnou dráhu kolem Merkuru má vstoupit v prosinci 2025. Při této cestě musí sonda vykonat celkem devět gravitačních manévrů u planet, aby upravila svou dráhu – konkrétně jde o dva průlety kolem Země (již dokončeny), dva kolem Venuše (též dokončeny) a šest kolem Merkuru. První průlet kolem Merkuru byl úspěšně proveden 1. října 2021 a pozemní týmy zkusily během tohoto průletu sbírat vědecká data pomocí některých palubních přístrojů.

Během přeletové fáze na cestě k Merkuru jsou obě sondy spojené společně s přeletovým modulem. Kvůli slunečnímu štítu, který kryje sondu Mio, jsou její vědecké možnosti prozatím omezeny jen na úzké zorné pole. I přesto jsou během průletů kolem planet aktivovány různé přístroje, což umožňuje sběr vědecky cenných informací. Během zmíněného prvního průletu kolem Merkuru se sestava sond přiblížila k povrchu až na 200 kilometrů a její přístroje úspěšně detekovaly plazma v magnetosféře. Dřívější mise Mariner 10 a MESSENGER nebyly z důvodu omezení své oběžné dráhy schopny pozorovat jižní polokouli magnetosféry Merkuru. Proto tedy můžeme měření z BepiColombo považovat za premiérové.

Sonda Mariner 10 a její cesta kolem Venuše k Merkuru.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

V rámci dnes probírané studie byla využita data z analyzátoru elektronů MEA, analyzátoru iontů MIA a analyzátoru neutrálních částic ENA na palubě sondy Mio, což umožnilo první simultánní pozorování elektronů a iontů u Merkuru. Analýza těchto dat byla podpořena již dříve vyvinutým modelem magnetického pole planety (KT17) a bylo přímo pozorováno chování urychlených elektronů srážejících se s povrchem planety nad ranní oblastí jižní polokoule.

(A) Přehled trajektorie sondy BepiColombo. (B) Pozorování plazmatu. Podařilo se detekovat magnetopauzu (MP), i rázovou vlnu (BS), které jsou vyznačeny růžovou a modrou přerušovanou čárou.
Zdroj: https://www.isas.jaxa.jp/

Během průletu kolem Merkuru se BepiColombo k planetě přiblížila od noční strany, přičemž se nacházela nad severní polokoulí. K maximálnímu přiblížení došlo blízko oblasti, kde na povrchu bylo ráno, přičemž se sonda nacházela již nad jižní polokoulí. Bylo tak možné pozorovat magnetosféru nad denní stranou jižní polokoule a díky trajektorii mohla sonda i nadále studovat sluneční vítr. Na přiloženém obrázku je znázorněna trajektorie BepiColombo i pozorování plazmatu pomocí sondy Mio. V datech jsou však občasné mezery, což bylo způsobeno provozními omezeními v době průletu. Zcela jistě však japonská sonda úspěšně zaznamenala hranici magnetosféry včetně magnetopauzy a rázové vlny. Stejně tak se podařilo potvrdit, že magnetosféra byla oproti průměrnému stavu stlačena v kompaktnějším stavu. V této stlačené magnetosféře byly pozorovány různé fyzikální procesy. Mimořádně pozoruhodné byly kvazi-periodická navýšení vysokoenergetických iontů (1 – 10 keV) nad ranní stranou magnetosféry zaznamenaná po maximálním přiblížení – jejich perioda byla zhruba 30 – 40 sekund, jak ukazuje obrázek přiložený k dalšímu odstavci.

Zesílení toku elektronů pozorované nad ranní stranou magnetosféry Merkuru a signatury rozptýlené energie (černé čáry). Pole (A) a (C) ukazují pozorování elektronů pomocí MEA1 a MEA2. Pole (B) a (D) představují normalizované počty podle průměrného počtu v časovém intervalu zobrazeném v tomto grafu. Porovnáním s průměrnými počty se ukazuje, že se tok elektronů mění v čase od vysokoenergetických po nízkoenergetické (černé čáry). Pole (E) a (F) jsou počty z MEA1 a MEA2 a ukazují, že máme zvýšení počtu tam, kde vidíme zvýšení toku.
Zdroj: https://www.isas.jaxa.jp/

Tato pozorování připomínají jev označovaný jako výrony elektronů o vysokých energiích (10 – 100 keV), který pozorovaly sondy Mariner 10 a MESSENGER. Ovšem podrobná analýza odhalila, že perioda období zesílení elektronového toku v rozmezí 1-10 keV neodpovídá dříve uváděným údajům. Bylo také zaznamenáno, že zesílení toku začíná na vysokých energiích a přechází k nižším energiím (vyznačeno černými čarami na obrázku vlevo pole B a D). Tyto poznatky naznačují, že se pozorovaný jev liší od těch, které byly zaznamenány dříve. Kromě toho se prozkoumáním, kam byly elektrony přemístěny (k čemuž posloužil model magnetického pole), ukázalo, že chování elektronů pozorované při tomto průletu je pravděpodobně důsledkem urychlení a přesunu, které způsobují plazmatické fenomény jako je magnetická rekonekce a dipolarizace nad ranní stranou magnetosféry Merkuru.

Vědecká důležitost této studie

Pozorované zvýšení toku vysokoenergetických elektronů (1-10 keV) lze přičíst plazmovým procesům v oblasti ohonu magnetosféry Merkuru. Toto místo se shoduje s polohou emisí rentgenových polárních září pozorovaných na povrchu Merkuru sondou MESSENGER. Charakteristiky zvýšení toku elektronů, které vykazuje kvazi-periodické variace závislost na energii, naznačují pozorování elektronů, které jsou urychlovány a přenášeny prostřednictvím magnetické rekonekce a dipolarizačních procesů v ohonu magnetofsféry a nakonec se srážejí s povrchem planety.

Schéma zemské magnetosféry.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Na Zemi urychlení a přesun plazmatu v ohonu magnetosféry vede ke vstupu částic do atmosféry, čímž vznikají polární záře. Pozorování mise BepiColombo naznačuje, že i když je magnetosféra Merkuru menší než pozemská, elektrony jsou v ní urychlovány a transportovány mechanismy, které jsou velmi podobné těm na Zemi. Může také docházet k jejích dopadům na povrch planety, což vytváří rentgenové polární záře. Tato studie odhaluje, že elektrony v malé magnetosféře Merkuru jsou urychlovány v ranní lokalitě ohonu magnetosféry blíže k planetě a dochází k jejich přesunu do blízkosti planety. Ačkoliv se planety s magnetickým polem ve Sluneční soustavě liší z hlediska intenzity vnitřního magnetického pole, přítomností atmosféry, či radiačních pásů, byl nyní pozorován transport urychlených elektronů do blízkosti planety a její povrch ve všech případech s výjimkou Neptunu. To naznačuje, že tyto procesy jsou všeobecným mechanismem pro vznik polárních září.

Takto bude sonda MMO (Mio) vypadat, až se na oběžné dráze Merkuru osamostatní a plně rozloží své antény.
Zdroj: https://cdn.sci.esa.int/

Porozumění chování elektronů v magnetosféře Merkuru je jednou z významných vědeckých výzev, které stojí před sondou Mio. Ta je totiž první sondou, která je vybavena k tomuto účelu vhodnými pozorovacími přístroji. Navzdory významným omezením pozorování během průletu získání výsledků týkajících se dlouho diskutovaných fyzikálních procesů v prostředí Merkuru zvyšuje očekávání komplexních pozorování po navedení na oběžnou dráhu Merkuru.

Vyhlídky do budoucna

Po dokončení prvního průletu kolem Merkuru, který byl popsán v této studii, provedla BepiColombo druhý a třetí průlet v červnu 2022 a červnu 2023. Při každém průletu byla provedena řada vědeckých pozorování a týmy jsou již aktivně zapojeny do analýzy nasbíraných dat. Kombinace bezprecedentního souboru vědeckých přístrojů a průletové trajektorie vedla k novým objevům, které u minulých misí Mariner 10 a MESSENGER nebyly možné.

Po usazení na oběžné dráze Merkuru v prosinci 2025 budou obě sondy obíhat kolem planety a provádět svá pozorování nezávisle na sobě. Stále však probíhá diskuse o společných pozorovacích projektech mezi Mio (která bude studovat sluneční vítr) a MPO (která se zaměří na pozorování prostředí Merkuru). Kromě toho se široce probírá také spolupráce na pozorováních dalších sond, které se zaměřují na vnitřní oblasti Sluneční soustavy – ať už jde o evropskou Solar orbiter, nebo americkou Parker Solar Probe. Očekává se, že tyto činnosti posunou vpřed naše znalosti o Sluneční soustavě a vytvoří spojnici mezi pozorováním heliosféry, planetárních oblastí a planetárních magnetosfér.