Астрономы, на основе данных космической станции «Юнона», оценили распределение межпланетной пыли вдоль пути станции от орбиты Земли до Юпитера.
Облака пыли в плоскости Солнечной системы проявляются на Земле в виде характерного свечения (зодиакального света), а их происхождение обычно связывают с разрушением астероидов или комет. Данные «Юноны» показывают, что пылевые скопления разделяются на две группы по характеристикам орбит частиц, а одним из источников пылинок может быть Марс или его спутники.
Проект NASA Juno («Юнона») — автоматическая межпланетная станция, предназначенная для изучения Юпитера и его спутников. Запущена в 2011 году, через пять лет вышла на орбиту Юпитера. Одна из основных задач Юноны — изучение магнитосферы Юпитера, поэтому у неё на борту есть магнетометр, которому нужен высокоточный инструмент для отслеживания его положения в пространстве (Advanced Stellar Compass, ADS). «Звёздный компас» ADS изготавливался в Датском техническом университете (DTU), и разработчики предусмотрели для его камер вспомогательную задачу наблюдения за астероидами по пути. Неожиданным результатом оказалась возможность использовать эту информацию для исследования распределения пыли в межпланетном пространстве на пути «Юноны» от Земли до Юпитера, в частности, той самой пыли, которая вызывает любопытное астрономическое явление на Земле — зодиакальный свет. Статья по результатам обработки массива данных со звёздного датчика «Юноны» опубликована в марте 2021 года в Journal of Geophysical Research: Planets.
Зодиакальный свет — оптическое явление, которое можно наблюдать незадолго после захода или перед восходом Солнца. После захода Солнце ещё некоторое время продолжает освещать часть небосвода, но при этом вместо сплошного ореола из-под горизонта пробивается полоса света в виде сужающегося конуса, который может распространяться до значительной высоты на небесной сфере. Положение этой полосы на небе совпадает с дугой эклиптики — окружностью, вдоль которой Солнце и планеты совершают годичное движение (то есть последовательно проходят через зодиакальные созвездия). Это указывает на происхождение явления — свечение вызывается частицами пыли, которые находятся в плоскости Солнечной системы и на которых преломляется солнечный свет, почему его можно наблюдать и после наступления сумерек. Происхождение этой пыли не вполне ясно, но принято считать, что она остаётся от некоторых астероидов и комет, залетающих во внутренние области Солнечной системы. Кстати, исследование зодиакальной пыли входит в сферу научных интересов гитариста Queen Брайана Мэя (Brian Harold May) и составило тему его диссертации (2007 год).
Исследования зодиакального света с Земли давно показали, что эти облака пыли имеют сложную структуру. В них выделяются несколько полос сгущения на разных расстояниях от плоскости эклиптики, что позволило предположить, что их источники — несколько семейств астероидов и комет с разными углами наклона траекторий. Поскольку пылинки в межпланетном пространстве в зависимости от размера выдуваются в сторону от Солнца под давлением солнечного излучения (мелкие, с размерами порядка микрона и меньше) или наоборот, дрейфуют к нему (более крупные), их запас должен постоянно пополняться. Образцы такой пыли пробовали собирать на околоземных орбитах, также несколько космических станций в прошлом были специально предназначены для изучения пылевых скоплений, но их возможностей пока недостаточно для построения «карт» космической пыли.
Межпланетная станция «Юнона» не имеет специальных инструментов для исследования пылевых облаков. Однако она оборудована несколькими звёздными датчиками (star trackers) — камерами, делающими снимки звёздного неба с некоторой периодичностью. Основное назначение таких снимков — определение ориентации аппарата в пространстве по положению известных звёзд в кадре. Это стандартный способ ориентирования космических кораблей по реперным звёздам, который используется ещё с самых первых полётов в 1960-х годах. Точное ориентирование аппарата необходимо для правильной интерпретации работы магнетометра — основного инструмента станции. Исследователи решили извлечь дополнительную пользу из этих камер, настроив их заодно на поиск астероидов. Программное обеспечение камеры умеет отмечать объекты, которые появляются в поле зрения на некоторое время и затем исчезают — с большой вероятностью это астероиды Солнечной системы, которых особенно много в «астероидном поясе» между Марсом и Юпитером. Но большинство из таких объектов достаточных размеров уже открыто и внесено в соответствующие каталоги, поэтому ПО камер настроили на выделение «новых» объектов, положения которых не совпадают ни с одним учтённым астероидом. Таким образом надеялись, что случайно удастся открыть и что-нибудь новое. Инженеры не сильно рассчитывали на успех, но тем не менее запрограммировали на такую дополнительную подработку одну из четырёх камер звёздных датчиков.
На пути от Земли до Юпитера камера «Юноны» зафиксировала множество треков от «неопознанных объектов», внезапно появляющихся и исчезающих из кадра. Поскольку снимки делались с большой частотой (4 кадра в секунду), это позволило накопить значительную статистику и отследить их параметры в зависимости от местонахождения космического аппарата. Анализ скоростей и видимых размеров объектов, оставивших треки показал, что это были частицы материала солнечных панелей космического корабля размерами от 0,1 до 1 миллиметра. Но они косвенно указали на более интересные объекты: космические пылинки, движущиеся со скоростями 5—15 км/сек по отношению к аппарату и при ударе о него выбивающие такие микрочастицы с поверхности. Размер определяемых частиц межпланетной пыли составляет от 1 до 100 микрон, и камера таким образом стала зондом, регистрирующим эти скопления пыли вдоль траектории полёта. В процессе пятилетнего путешествия к Юпитеру «Юнона» должна была несколько раз пересекать различные области внутренней Солнечной системы, включая пояс астероидов, и даже один раз вернулась назад к Земле, выполнив в 2013 году гравитационный манёвр для разгона в сторону Юпитера. Поэтому записи треков от таких микро-астероидов позволили проследить распределение «пылевых скоплений» на расстояниях 0,88 — 2,25 астрономических единиц, то есть от орбиты Земли за орбиту Марса. Всего за время полёта до Юпитера было зафиксировано более 15 тысяч таких соударений с пылевыми частицами. В самых «плотных» участках вблизи плоскости эклиптики концентрация таких частиц составляет до 8×10—13 частиц в кубическом метре. Это соответствует одной частице примерно в 10-километровом кубе.
Основная доля соударений с частицами пыли была зарегистрирована, когда аппарат находился между Землёй и Главным поясом астероидов за орбитой Марса. В распределении пыли на некоторых участках обнаружились провалы, которые объясняются гравитационным влиянием Юпитера — эти области находятся вблизи орбитальных резонансов Юпитера, и орбиты частиц, попавших туда, становятся неустойчивыми. Такие неравномерности в распределении пыли напоминают провалы в распределении астероидов — их отсутствие на определённых расстояниях (щели Кирквуда), соответствующих резонансным орбитам, также вызванное их вымыванием гравитацией Юпитера. Кроме того, облако пыли заканчивается вблизи орбиты Земли — её притяжение расчищает пространство от пылевых частиц. На внешнем крае облако распространяется на расстояния до около 2 астрономических единиц — немного за орбиту Марса. Здесь уже слишком сильным становится гравитационное влияние Юпитера и крупных астероидов. Но вблизи орбиты Марса такого вымывания частиц не наблюдается. Распределение частиц вдоль пути зонда позволило сделать вывод, что одним из источником этой пыли как раз является Марс с его знаменитыми пылевыми бурями.
Исходя из собранных данных и с использованием законов орбитальной механики, исследователи построили модель распределения облаков пыли. Так, выделяются два разных пылевых скопления. Первичное скопление располагается практически в плоскости эклиптики и распространяется за орбиту Марса. Его и связывают с Марсом и его спутниками. В этом случае первичная группа должна существовать в узком «диске» с углами ±1,85° от плоскости эклиптики — это как раз наклон орбиты Марса. Вторичное скопление пыли — это частицы из первой группы, но рассеянные в пространстве на более значительные углы. Такое рассеяние вызывается гравитационным взаимодействием частиц с близким массивным телом (Юпитером) — механизмом Кодзаи—Лидова, благодаря которому может изменяться наклон орбиты частицы. Физика этого эффекта предсказывает, что вторичное облако частиц будет располагаться в пределах ±7,4° от плоскости эклиптики, то есть занимать такой диск большей толщины — опять из предположения, что первичная популяция частиц порождается именно Марсом. Частицы этой популяции впоследствии могут двигаться по направлению к Солнцу или от него, но их запас должен пополняться из первой популяции с сохранением динамического равновесия.
Интересно, что такая модель с «марсианским» происхождением пыли согласуется с наблюдаемой вблизи Земли структурой зодиакального свечения. В интенсивности зодиакального света также выделяют центральный участок с шириной ±1,4° (отклонение от линии эклиптики) и два боковых пика на расстояниях около 10°. В этом случае они получают объяснение как эти две области первичной и вторичной популяции пыли в динамическом равновесии. На длительных межпланетных перелётах такие пылевые облака могут привести к деградации материала космических станций, и в будущем траектории полёта нужно будет проектировать с учётом их расположения.
Подготовка материала: Сергей Шапиро