Несколько лет назад Роскосмос и Европейское космическое агентство подписали соглашение, давшее старт совместному проекту «ЭкзоМарс». Этот фактически первый по-настоящему совместный проект России и ЕКА сегодня объединяет международную группу учёных из 29 научных организаций, включая Институт космических исследований РАН (головной исполнитель по созданию научной нагрузки проекта с российской стороны), а также МФТИ.
Сегодня на орбиту вокруг Марса уже доставлена научная аппаратура, которая позволит если не поставить точку в дискуссии о том, существовала ли когда-либо жизнь на Марсе, то подбросить в нее горючего — наверняка. В наступающем году орбитальный модуль миссии «ЭкзоМарс-2016», выйдя на рабочую орбиту, приступит к наблюдению марсианской атмосферы. В журнале Space Science Reviews вышла статья с подробным описанием одного из двух российских инструментов на борту новейшей марсианской миссии и его научных задач. Кратко ее содержание описывается в пресс-релизе МФТИ.
14 марта 2016 года с космодрома Байконур стартовала ракета-носитель «Протон-М» с космическими аппаратами совместной миссии ГК «Роскосмос» и Европейского космического агентства «ЭкзоМарс-2016». На борту ракеты-носителя находились посадочный модуль «Скиапарелли» и орбитальный модуль TGO (сокращение от Trace Gas Orbiter, «орбитальный аппарат для исследования малых составляющих атмосферы»). За 226 дней межпланетная автоматическая станция преодолела расстояние почти в 500 миллионов километров.
«Скиапарелли» предназначался для отработки технологии посадки на поверхность Марса. Орбитальный модуль TGO в свою очередь был нацелен на изучение малых газовых составляющих атмосферы, распределения водяного льда в грунте Марса и детальную фотосъёмку, в том числе стереосъемку поверхности.
Программа исследования Красной планеты «ЭкзоМарс» состоит из двух этапов. Первый этап начался с запуска в 2016 году. Запуск аппаратов второго этапа намечен на 2020 год, когда откроется очередное баллистическое «окно» для запусков к Марсу. После его прибытия и посадки орбитальный модуль TGO будет также осуществлять передачу данных с марсохода миссии «ЭкзоМарс-2020».
Основной целью программы «ЭкзоМарс» является поиск ответа на один из самых интригующих научных вопросов современности: существовала ли когда-либо жизнь на Марсе? Орбитальный аппарат TGO несёт на себе четыре научных прибора: два спектрометрических комплекса: ACS и NOMAD, — детектор нейтронов с высоким разрешением FREND и комплекс цветных камер высокого разрешения CaSSIS. Из этих четырех приборов два: ACS и FREND — были созданы в Институте космических исследований РАН.
Основная научная цель работы орбитального аппарата TGO — подробные исследования атмосферы и климата Марса, а также его поверхности. Этот модуль несёт на своём борту ряд приборов для подробного мониторинга малых газовых составляющих атмосферы Марса. В частности, эти приборы должны внести ясность в дискуссию о присутствии в марсианской атмосфере метана, который ранее наблюдался наземными телескопами и марсоходом «Curiosity»
Наблюдения TGO в разных режимах: солнечных затмений, во время которых свет Солнца проходит через атмосферу Марса и регистрируется прибором, а также дневных и ночных наблюдений в надир, когда регистрируются отражённый солнечный свет и собственное излучение планеты
Прибор ACS (Atmospheric Chemistry Suite, «Комплекс для изучения химии атмосферы») — это на самом деле три отдельных прибора. Комплекс, состоящий из трёх спектрометров инфракрасного диапазона, был спроектирован и разработан, чтобы соответствовать требованиям предельно высокой чувствительности, необходимой для обнаружения и измерения малых газовых составляющих (веществ, концентрации которых очень малы) атмосферы Марса, прежде всего, метана, который может служить признаком геологической или биологической активности на планете. Спектрометры ACS характеризуются одновременно высокой разрешающей способностью (10 000 и более) и широким спектральным диапазоном от 0,7 до 17 мкм. ACS сможет уточнить роль основных составляющих атмосферы (CO2, H2O, аэрозолей) в климате планеты.
ACS состоит из четырёх частей: спектрометров NIR, MIR, TIRVIM и блока электроники
Канал ближней ИК-области NIR (от Near-InfraRed) представляет собой универсальный эшелле-спектрометр, охватывающий спектральный диапазон от 0,7 до 1,6 мкм с разрешающей способностью ~2×104. Этот прибор будет в основном эксплуатироваться для мониторинга вертикальных профилей и горизонтального распределения водяного пара, исследования дневного свечения молекулярного кислорода, поиска ночных свечений, вызываемых фотохимическими процессами в атмосфере Марса. Измерения будут проводиться в режиме солнечных затмений, во время которых свет Солнца проходит через атмосферу Марса и регистрируется прибором, и наблюдений в надир, когда регистрируются отражённый солнечный свет и собственное излучение планеты, а также в режиме наблюдения лимба планеты.
Канал средней инфракрасной области MIR (Mid-InfraRed) представляет собой инструмент, предназначенный для наблюдений атмосферы Марса в режиме солнечных затмений в диапазоне 2,2–4,4 мкм. Эшелле-спектрометр со скрещённой дисперсией MIR достигает разрешающей способности > 5×104. Он был разработан для самых чувствительных измерений малых газовых составляющих атмосферы Марса и будет измерять содержание метана, отношение содержания дейтерия к водороду, малых составляющих атмосферы и аэрозолей. Канал MIR был создан для решения главных задач всей орбитальной миссии «ЭкзоМарс», именно от него ожидаются основные научные «прорывы».
«Точность измерений будет в сотни раз превышать имеющиеся у нас данные об атмосфере Марса, кроме того, орбита космического аппарата позволит проводить наблюдения солнечных затмений довольно часто», — рассказывает ведущий по прибору MIR, главный специалист ИКИ РАН Александр Трохимовский. «Для спектрометров MIR и NIR на Физтехе были разработаны алгоритмы обработки данных, а для планирования и интерпретации результатов экспериментов была построена модель общей циркуляции атмосферы Марса», — добавляет руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ Александр Родин.
Протекание основных фотохимических реакций, известных или предполагаемых на Марсе, и возможность их обнаружения прибором ACS
Наконец, третий Фурье-спектрометр теплового инфракрасного диапазона TIRVIM охватывает спектральный диапазон 1,7–17 мкм с разрешением от 0,2 до 1,3 см-1. Этот прибор будет нести основную задачу по предоставлению информации о климате на Марсе: профили температуры атмосферы, содержание пыли, температура поверхности. Ожидается, что наблюдения TIRVIM обеспечат измерения температуры от поверхности до высоты ~60 км с большей точностью, а также лучшую оценку оптических толщин пыли и облаков, обеспечивая при этом уникальную возможность для обнаружения газов O3 и H2O2 — они имеют фундаментальное значение для фотохимии. Название этого прибора, а вернее, три последние буквы его аббревиатуры, VIM, — дань памяти Василия Ивановича Мороза, основателя инфракрасной спектрометрии в нашей стране, который долгое время руководил отделом физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН.
