Sonda BepiColombo zbadała pole magnetyczne Merkurego

Kiedy BepiColombo przeleciała obok Merkurego w czerwcu 2023 r., zarejestrowała różnorodne cechy pola magnetycznego tej małej planety. Pomiary te stanowią przedsmak tajemnic, które misja ma odkryć po osiągnięciu orbity wokół najbardziej wewnętrznego globu Układu Słonecznego.

Jak tłumaczą naukowcy z ESA, podobnie jak Ziemia, Merkury posiada pole magnetyczne, choć 100 razy słabsze. Niemniej jednak tworzy ono bańkę w przestrzeni kosmicznej, zwaną magnetosferą, która działa jako bufor dla ciągłego przepływu cząstek emitowanych przez Słońce jako wiatr słoneczny.

Ponieważ Merkury krąży tak blisko Słońca, interakcja wiatru słonecznego z magnetosferą, a powierzchnią planety, jest znacznie bardziej intensywna niż na Ziemi. Badanie dynamiki tego bąbla i właściwości zawartych w nim cząstek jest jednym z głównych celów misji BepiColombo.

Astronomowie oczekują, że BepiColombo dotrze do Merkurego w 2026 r., wykorzystując przeloty nad Ziemią, Wenus i samym Merkurym w celu dostosowania prędkości i trajektorii, aby umożliwić przechwycenie go na orbitę wokół planety. Sonda rozddzieli i rozmieści dwa orbitery naukowe – kierowany przez ESA orbiter planetarny Merkury (MPO) i kierowany przez JAXA orbiter magnetosferyczny Merkury (MMO lub Mio) – na uzupełniających się orbitach, aby umożliwić niezbędne pomiary obu statków kosmicznych potrzebne do uzyskania pełnego obrazu dynamicznego środowiska Merkurego

Gdy sonda kosmiczna przelatuje obok Merkurego podczas przelotu, wiele z jej instrumentów naukowych jest w stanie przeprowadzać badania, które będą kontynuowane, gdy znajdzie się już na właściwym miejscu. Przeloty zapewniają również unikalny wgląd w regiony wokół planety, które nie będą bezpośrednio dostępne z orbity.

Naukowcy z ESA wykorzystali zestaw instrumentów Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE) zamontowany na Mio podczas przelotu 19 czerwca 2023 r., trzeciego z sześciu asyst grawitacyjnych BepiColombo na Merkurym, aby stworzyć obraz magnetycznego krajobrazu planety w bardzo krótkim czasie. Badanie opublikowano w czasopiśmie Communications Physics,

„Te przeloty są szybkie; przekroczyliśmy magnetosferę Merkurego w około 30 minut, poruszając się od zmierzchu do świtu i przy najbliższym podejściu zaledwie 235 km nad powierzchnią planety. Próbkowaliśmy rodzaj cząstek, jak gorące są i jak się poruszają, co pozwoliło nam wyraźnie zmapować krajobraz magnetyczny w tym krótkim okresie” – mówi Lina Hadid z Paris Observatory.

Połączenie pomiarów BepiColombo z modelowaniem komputerowym w celu określenia pochodzenia wykrytych cząstek na podstawie ich ruchu umożliwiło naukowcom określenie różnych cech napotkanych w magnetosferze.

„Widzieliśmy oczekiwane struktury, takie jak granica szoku między swobodnie płynącym wiatrem słonecznym a magnetosferą, a także przeszliśmy przez rogi otaczające warstwę plazmy, obszar gorętszego, gęstszego naładowanego elektrycznie gazu, który płynie jak ogon od Słońca. Ale mieliśmy też kilka niespodzianek. Wykryliśmy tak zwaną warstwę graniczną na niskich szerokościach geograficznych, zdefiniowaną przez obszar turbulentnej plazmy na skraju magnetosfery i tutaj zaobserwowaliśmy cząstki o znacznie szerszym zakresie energii niż kiedykolwiek wcześniej widzieliśmy na Merkurym, w dużej mierze dzięki czułości analizatora widma masowego zaprojektowanego specjalnie dla złożonego środowiska tej planety. BepiColombo będzie w stanie określić skład jonowy magnetosfery Merkurego bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej” – twierdzi Dominique Delcourt z ESA.

„Zaobserwowaliśmy również energetyczne gorące jony w pobliżu płaszczyzny równikowej i na niskich szerokościach geograficznych uwięzione w magnetosferze i uważamy, że jedynym sposobem na wyjaśnienie tego jest prąd pierścieniowy, częściowy lub całkowity pierścień, ale jest to obszar wielu dyskusji” – zaznacza Hadid.

Prąd pierścieniowy to prąd elektryczny przenoszony przez naładowane cząstki uwięzione w magnetosferze. Ziemia posiada dobrze poznany prąd pierścieniowy znajdujący się dziesiątki tysięcy kilometrów od jej powierzchni. W przypadku Merkurego nie jest jasne, w jaki sposób cząstki mogą pozostać uwięzione w odległości kilkuset kilometrów od planety, zwłaszcza że magnetosfera jest ściśnięta z powierzchnią planety.

Astronomowie zaobserwowali również bezpośrednią interakcję między statkiem kosmicznym a otaczającą go plazmą kosmiczną. Gdy statek kosmiczny jest ogrzewany przez Słońce, nie może wykryć zimniejszych, ciężkich jonów, ponieważ sama sonda jest naładowana elektrycznie i odpycha je.

Jednak, gdy BepiColombo poruszała się w nocnym cieniu planety, ładunek stał się inny i badacze mogli wykryć morze zimnych jonów plazmy. Sonda odkryła na przykład jony tlenu, sodu i potasu, które prawdopodobnie zostały wyrzucone z powierzchni planety w wyniku uderzeń mikrometeorytów lub interakcji z wiatrem słonecznym.

„W tej rzadkiej podróży od zmierzchu do świtu przez wielkoskalową strukturę magnetosfery Merkurego, zasmakowaliśmy obietnicy przyszłych odkryć” – mówi Go Murakami z JAXA.

„Obserwacje podkreślają potrzebę dwóch orbiterów i ich uzupełniających się instrumentów, aby opowiedzieć nam pełną historię i zbudować kompletny obraz tego, jak środowisko magnetyczne i plazmowe zmienia się w czasie i przestrzeni. Nie możemy się doczekać, aby zobaczyć, w jaki sposób BepiColombo przyczyni się do naszego szerszego zrozumienia magnetosfer planetarnych” – podkreśla Geraint Jones z ESA.

W międzyczasie naukowcy już zagłębiają się w dane zebrane podczas czwartego bliskiego przelotu Merkurego we wrześniu 2024 r., podczas gdy kontrolerzy lotu przygotowują się do dwóch ostatnich, zaplanowanych odpowiednio na 1 grudnia 2024 r. i 8 stycznia 2025 r.

Emil Gołoś