Металлическое ядро Меркурия простирается от центра планеты до большей части ее радиуса. Радарные исследования показывают, что какая-то часть внешнего ядра расплавлена. (Изображение: Nicolle Ragger Fuller, NSF с сайта astrosun2.astro.cornell.edu/~jlm)
С помощью радарных исследований на трех наземных радиотелескопах американским и российским астрономам удалось показать, что вариации во вращении Меркурия характерны для небесного тела, обладающего расплавленным ядром. Впервые гипотеза жидкого ядра появилась в 1974 году, после облета Меркурия американской межпланетной автоматической станцией «Маринер-10».
Меркурий — самая близкая к Солнцу планета Солнечной системы. Расстояние от него до Солнца составляет в среднем 0,387 а.е., или 58 млн км — 46 млн км в перигелии и 70 млн км в афелии), диаметр — 4 880 км (0,38 диаметра Земли), масса 3,3×1023 кг (0,055 массы Земли). Меркурий обладает очень большой плотностью (его средняя плотность составляет 5,4 г/см3), лишь немногим уступая плотности Земли. Очевидно, Меркурий содержит гораздо больше тяжелых элементов, чем какое-либо другое известное нам небесное тело планетных размеров (более высокая плотность Земли объясняется лишь большим сжатием пород под действием более мощной гравитации). А в 1974 году выяснилось, что Меркурий, как и Земля, обладает собственным магнитным полем.
Меркурий — трудный для наблюдений объект, поскольку на нашем небосводе он удаляется от Солнца не больше чем на 28° и его можно увидеть только низко над горизонтом, сквозь атмосферную дымку на фоне утренней зари (осенью) или по вечерам сразу после заката Солнца (весной). Поэтому он до сих пор остается одной из самых малоизученных планет Солнечной системы. До того как в 1965 году с помощью радиолокационных наблюдений на крупнейшем радиотелескопе в Аресибо было установлено, что Меркурий три оборота вокруг своей оси совершает за два своих года, вращаясь примерно в направлении своего движения по орбите, долгое время считалось, что время оборота Меркурия вокруг своей оси и вокруг Солнца одно и то же и что к Солнцу он всегда обращен, как и Луна к Земле, одним полушарием, поверхность которого постоянно раскалена, а на противоположной стороне планеты царят вечный мрак и холод.
Поскольку один оборот вокруг своей оси Меркурий делает за 58,65 земных суток, а один оборот по орбите вокруг Солнца за 88 земных суток, то в результате сложения этих двух движений продолжительность суток на Меркурии оказывается равной 176 земным. (Анимацию, показывающую, как проходит Солнце по меркурианскому небосводу и как при этом меняется температура поверхности планеты, можно посмотреть здесь.) А тот факт, что время оборота Меркурия вокруг оси соответствует 2/3 времени его обращения вокруг Солнца, теперь расценивается как наличие резонанса между этими двумя вращениями, который возник из-за гравитационного воздействия Солнца на Меркурий.
Но больше всего сведений о Меркурии принесла нам американская автоматическая станция «Маринер-10», запущенная в 1973 году и совершившая в 1974-75 годах три подлета к Меркурию. «Маринер-10» подтвердил данные о продолжительности меркурианских суток и года, сфотографировал 45% поверхности планеты, уточнил состав атмосферы, а также зафиксировал у Меркурия наличие слабого магнитного поля. Это поле на два порядка уступало земному, однако присутствие даже весьма скромной магнитосферы у столь крохотной планеты казалось в тот момент малообъяснимым.
Наличие у Меркурия магнитного поля повергло ученых в глубокие раздумья. Дело в том, что, хотя Меркурий и имеет очень высокую температуру поверхности (достигающую 400 градусов Цельсия), его масса очень невелика, и это должно было способствовать быстрому остыванию и отвердеванию меркурианских глубин. Поэтому в том, что юркая планета уже в силу своих небольших размеров должна обладать твердым ядром, до открытий «Маринера-10» мало кто сомневался. Конечно, нашлись специалисты, которые считали обнаруженное поле всего лишь остаточным явлением, некой «замороженной» намагниченностью горных пород меркурианской коры, однако большинство ученых все-таки сочло этот вариант маловероятным, и заговорило о возможности наличия у Меркурия хотя бы частично расплавленного ядра (как и у Земли).
Из планет земной группы (слева направо: Меркурий, Венера, Земля, Марс) кроме Меркурия собственной магнитосферой обладает только геологически активная Земля (изображение с сайта physicsweb.org)
И вот теперь группа Жана-Люка Марго (Jean-Luc Margot), объединившая астрономов из Корнеллского университета (Cornell University, Итака, штат Нью-Йорк, США) и других учреждений США и России, с помощью двух новых методик (включающих спекл-интерферометрию) постаралась поставить точку в давнем споре. Пятилетние радарные исследования Меркурия, проводимые посредством наземных радиотелескопов, показали, что вариации, связанные с вращением этой планеты, действительно характерны для небесного тела, обладающего расплавленным ядром. Результаты этих измерений опубликованы в последнем номере журнала Science. Новая работа добавила также веса теории, согласно которой Меркурий, как и Земля, генерирует собственное магнитное поле посредством механизма гидромагнитного динамо — то есть за счет конвекции жидкого электропроводящего металлического ядра.
Сигнал радара (помечен желтым цветом) отправлен из Калифорнии с радара «Голдстоун». Эхо от этого сигнала (красный цвет) получено как радаром в Калифорнии, так и радиотелескопом имени Роберта Бёрда в Западной Вирджинии. Изображение: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF с сайта astrosun2.astro.cornell.edu/~jlm
Во-первых, были произведены измерения небольших смещений при вращении Меркурия вокруг своей оси. Во-вторых, были изучены характерные пятнистые спекл-структуры (speckle pattern), то есть артефакты, появляющиеся за счет интерференции лучей, рассеиваемых отдельными шероховатостями объекта. «Паразитные» флуктуации в интенсивности свечения таких структур могут, оказывается, сослужить добрую службу: они несут информацию о качаниях-либрациях (появляющихся за счет переменного крутящего момента при немного асимметричной форме планеты) и о деформации изучаемого объекта.
Жан-Люк Марго демонстрирует фокус с яйцами. Фото: Lindsay France/University Photography с сайта www.news.cornell.edu
Объединив все эти данные, физики смогли обнаружить периодические сбои во вращении Меркурия, вызванные приливно-отливными взаимодействиями с Солнцем. Интересно, что гравитационное поле Солнца по-разному воздействует на вращающиеся планеты в зависимости от того, каков их состав (твердый или жидкий). Это можно сравнить с общеизвестным методом выявления сваренных вкрутую яиц: полностью отвердевшее яйцо вращается быстро и долго, ну а яйцо, сваренное всмятку, крутится «нехотя» и с колебаниями.
В ходе своих вычислений группа Марго пользовалась результатами измерений, проводимых свыше пяти лет на трех телескопах — крупнейшем в мире полноповоротном радиотелескопе имени Роберта Бёрда (Robert C. Byrd Green Bank Telescope, GBT, Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, диаметр 100 метров), радиотелескопе в Аресибо (Arecibo Observatory, Пуэрто-Рико, 305-метровая «кювета») и 70-метровом радаре «Голдстоун» (Goldstone Observatory) в Калифорнии, входящем в состав сети дальней космической связи. В совокупности с предыдущими оценками наклона оси вращения и параметрами гравитационного поля, полученными «Маринером-10», удалось выявить периодические вариации вращения Меркурия с точностью до одной стотысячной.
Выяснилось, что эта самая «болтанка» слишком велика, если исходить из модели полностью отвердевшей планеты (полученные результаты вдвое превышали результаты расчетов для твердого Меркурия) — скорее, она характерна для небесного тела, обладающего расплавленным ядром. Конечно, само по себе это не объясняет, каким именно образом Меркурий смог сохранить жидкое ядро. У Марго на этот счет есть свое предположение: возможно, температура плавления могла понизиться благодаря примеси легких элементов, вроде серы, попавшей когда-то в железное ядро. Этот «союз» с серой мог бы воспрепятствовать раннему (миллиарды лет назад) отвердеванию сердцевины.
Подобная гипотеза сталкивается с известными сложностями: на том расстоянии от Солнца, на котором формировался Меркурий, жар от солнечных лучей столь велик, что сера может существовать лишь в газообразном виде, и это становится препятствием для включения ее в состав планеты. В качестве возможного объяснения возникает вариант более поздних столкновений прото-Меркурия с протопланетами-планетезималями, сформировавшимися на достаточном удалении от Солнца и содержащими серу.
Теперь вслед за Меркурием планируется изучить «сбои» и вариации во вращении Венеры — если их вообще удастся выявить. Возможность подобных исследований с помощью наземных средств открывается после доработки необычных радарных методик, предложенных российским соавтором статьи в Science Игорем Холиным из московского Института космических исследований (ИКИ РАН).
Конечно, на сегодняшний день разгаданы далеко не все тайны, связанные с магнитосферой Меркурия. Так, слишком малая напряженность магнитного поля Меркурия, составляющая лишь 1% от земного, говорит о том, что его ядро не расплавлено полностью (расплавлена скорее всего лишь часть внешнего ядра, скрывающегося под силикатной мантией, ну а самая сердцевина, как и у Земли, снова твердая). Вопрос о степени (глубине) расплавленности ядра все еще остается открытым. Будем надеяться, что ситуация прояснится с прибытием в район Меркурия космического корабля НАСА Messenger (это должно произойти в январе следующего года; на первое время намечено три сближения с этой планетой, а в 2011 году аппарат выйдет на вытянутую орбиту вокруг Меркурия). «Мессенджер» несет с собой очень хороший магнитометр и множество других приборов. В частности, он сможет изучить геометрию магнитного поля Меркурия, что позволит сделать кое-какие выводы о его источниках.
Помимо посланца-«Мессенджера» к Меркурию с Байконура в 2013 году отправится также и японско-европейская экспедиция BepiColombo, которая должна достичь планеты в 2019 году.
