Как исследуют планеты с помощью света
Что нужно для детального исследования другой планеты, астероида или кометы?
Для начала, запустить поближе космический аппарат. И оборудовать этот зонд приборами, чтобы они рассказали как можно больше о предмете изучения, исходя из ограничений на объем и массу. Сегодня посмотрим как человек изучает Солнечную систему при помощи оптических средств.
Вокруг Солнца вращается множество космических тел, которые очень сильно отличаются друг от друга. Газовые гиганты не имеют твердой поверхности, а каменные планеты имеют атмосферу разной плотности, от ничтожной до сверхплотной. Астероиды бывают каменные, а бывают железные, а кометы сильно меняют свою активность в зависимости от расстояния до Солнца.
Понятно, что для изучения объектов с разными свойствами потребуются разные приборы. В то же время, ученые уже накопили немалый опыт применения многих типов исследовательских методов, смогли понять, что дает максимум полезной информации при минимальной массе. Сейчас мы можем рассмотреть такой "джентльменский набор" роботизированного исследователя космоса.
Съемка в видимом диапазоне
Глаза продолжают быть нашим главным исследовательским прибором, поэтому на Земле астрономы вкладывают миллиарды в гигантские телескопы, а для космоса создаются специальные фотокамеры. Научную камеру стараются делать двойную, т.е. запускать две камеры: одну широкоугольную, вторую длиннофокусную. Широкоугольная позволит охватывать взглядом значительные пространства, но все объекты в ее съемке будут мелкими. Длиннофокусная является "дальнобойным орудием", которая позволяет рассматривать мелкие подробности со значительного расстояния.
Этот принцип сохраняется как в космосе, так и на поверхности планет. Так, у марсохода Curiosity широкоугольный цветной объектив 34 мм, а длиннофокусный - 100 мм.
Для орбитальных модулей соотношение между длинным и широким, обычно, намного существеннее. Вместо длиннофокусного объектива ставят полноценный зеркальный телескоп.
Самый большой зеркальный телескоп за пределами околоземной орбиты сейчас работает на орбите Марса, у спутника MRO - диаметром 50 см. Камера HiRise снимает высоты 250-300 км в феноменальной детализации до 26 см.
Это позволяет ученым изучать Марс и следить за перемещением марсоходов, а энтузиастам, вроде нас, заниматься марсианской археологией.
Кроме научных камер, на космические аппараты часто ставят навигационные камеры. Они позволяют лучше ориентироваться "на местности" операторам аппаратов, и выбирать цели для научных камер. Навигационные камеры могут охватывать еще более широкие углы обзора, и могут тоже создаваться двойными, но уже для повышения надежности или для стереосъемки.
Разница между научными камерами и навигационными не только в широте угла обзора. Научные камеры оснащаются еще сменными цветными фильтрами, которые позволяют анализировать некоторые спектральные характеристики поверхности исследуемых объектов. Обычно фильтры располагаются в специальном колесе, которое позволяет менять их на оптической оси камеры.
По умолчанию, научные камеры снимают в панхроматическом диапазоне - черно-белом режиме, в котором фотоматрица принимает весь видимый свет, и даже немного невидимого - ближнего инфракрасного. Такая съемка позволяет получить самое высокое разрешение и увидеть самые мелкие детали, поэтому большинство снимков из космоса черно-белые. Хотя кто-то думает, что с этим связан какой-то заговор.
В панхроматическом (черно-белом) режиме, детализация выше.
Цветные изображения можно получить многократной съемкой с чередованием цветных фильтров, путем объединения снимков. Единичный кадр, сделанный через один цветной фильтр, тоже будет черно-белым, поэтому снимки требуется объединять по три. Причем вовсе не обязательно, полученный цвет на изображении будет тем, что увидели бы наши глаза. Для человеческого зрения мир состоит из сочетаний красного, зеленого и синего цветов. И "настоящий" цвет изображения можно получить при помощи красного, зеленого и синего фильтров.
Любопытна разница отражающей способности поверхности в различных диапазонах.
Но если кадры сделаны через, например, синий, красный и инфракрасный фильтры, то цвет изображения получится "ложным", хотя физические принципы его получения точно такие же настоящие.
При публикации цветных снимков на официальных сайтах подписывают какие именно цветные фильтры использованы на снимке. Но в СМИ эти фото попадают уже без пояснений. Поэтому до сих пор ходят по интернету всякие домыслы про скрываемый цвет Марса или даже Луны.
В обычных земных фотоаппаратах точно так же используется съемка через разноцветные фильтры, только они наклеены на элементы фотоматрицы (фильтр Байера) и сведением цветов занимается автоматика, а не ученые. На марсоходе Curiosity установлены уже фильтры Байера, хотя сохранено и отдельное колесо с фильтрами.
Инфракрасная съемка
Инфракрасный свет наши глаза не видят, а кожа воспринимает как тепло, хотя ИК-диапазон не меньше видимого света. Сокрытую от глаз информацию позволяют добыть инфракрасные камеры. Даже самые обыкновенные фотоматрицы могут увидеть ближний инфракрасный свет (попробуйте, например, снять огонек телевизионного пульта на смартфон). Для регистрации среднего диапазона инфракрасного света, на космическую технику ставят отдельные камеры, с другим типом датчиков. А дальний инфракрасный требует уже охлаждения датчиков до глубокого минуса.
За счет более высокой проникающей способности инфракрасного света удается заглядывать глубже как в дальний космос, сквозь газопылевые туманности, так и в грунт планет и прочих твердых тел.
Так ученые Venus Express наблюдали за движением облаков на средних высотах в атмосфере Венеры.
New Horizons регистрировал тепловое свечение вулканов спутника Юпитера Ио.
Съемка в режиме "хищника" применялась на марсоходах Spirit и Opportunity.
Взгляд Mars Express на полюса Марса показал разницу распределения углекислотного и водяного льда по поверхности ледяных шапок (розовый - углекислотный, голубой - водяной лед).
Для получения максимума информации, инфракрасные камеры оснащают большим набором фильтров, либо полноценным спектрометром, который позволяет раскладывать на спектр весь отраженный от поверхности свет. Например, у New Horizons имеется инфракрасный датчик с 65,5 тыс элементов-пикселов, выстроенных в 256 линий. Каждая линия “видит” только излучение в своем узком диапазоне, и датчик работает в режиме сканера, т.е. камерой с ним “проводят” по изучаемому объекту.
Как уже упоминалось, инфракрасный свет - это тепло, поэтому съемка в этом диапазоне открывает еще одну возможность исследования твердых космических тел. Если наблюдать за поверхностью длительное время в процессе нагрева от солнечных лучей в дневное время и остывания в ночное, то можно увидеть, что какие-то элементы поверхности быстро нагреваются и остывают, а какие-то долго нагреваются и долго остывают. Эти наблюдения называются исследованием тепловой инерции. Они позволяют определять физические характеристики грунта: рыхлый, как правило, легко набирает и легко отдает тепло, а плотный - долго нагревается и долго держит тепло.
На карте: розовый - с низкой тепловой инерцией, синий - с высокой (т.е. долго остывает).
Интересное наблюдение, в тепловом режиме, было сделано советским зондом “Фобос-2”. Снимая Марс в тепловом режиме, он заметил длинную полосу, которая протянулась по планете.
В 90-е в прессе высказывались мистические домыслы о самолетном конденсационном следе в атмосфере Марса, но реальность оказалась интереснее, хоть и прозаичнее. Тепловая камера “Фобоса-2” смогла зафиксировать полосу остывшего грунта, которая протягивается за проходящей тенью спутника Марса - Фобоса.
Бывают и ошибки. Например, исследуя кратер Гейла со спутника Mars Odyssey, ученые определили местность с высокой тепловой инерцией, неподалеку от севшего марсохода Curiosity. Там ожидали найти плотную скальную породу, а нашли глинистые породы с относительно высоким содержанием воды - до 6%. Получилось, что причиной высокой тепловой инерции была вода, а не камень.
Ультрафиолетовая съемка
С помощью ультрафиолета изучают газовую составляющую Солнечной системы, да и всей Вселенной. Ультрафиолетовый спектрометр стоит на телескопе Hubble, и с его помощью удавалось определить распределение воды в атмосфере Юпитера или обнаружить выбросы из подледного океана его спутника Европы.
В ультрафиолете изучались практически все атмосферы планет, даже те, которых практически нет. Мощный ультрафиолетовый спектрометр зонда MAVEN позволил увидеть окружающий Марс водород и кислород на значительном удалении от поверхности. Т.е. увидеть как, даже сейчас, продолжается улетучивание газов из атмосферы Марса, и чем легче газ тем интенсивнее это происходит.
Водород и кислород в атмосфере Марса получается путем фотохимической диссоциации (разделения) молекул воды на составляющие под действием солнечного излучения, а вода на Марсе испаряется из грунта. Т.е. MAVEN позволил ответить на вопрос почему сейчас Марс сухой, хотя когда-то там были океан, озера и реки.
Зонд Mariner-10 в ультрафиолете смог выявить подробности венерианских облаков, увидеть V-образную структуру турбулентных потоков, и определить скорость ветров.
Более сложный способ исследования атмосферы - на просвет. Для этого исследуемый объект размещается между источником света и спектрометром космического аппарата. Так можно определить состав атмосферы оценив разницу спектра источника света до и после перекрытия атмосферой.
Таким образом удается определить не только содержание газов в атмосфере, но и примерный состав пыли, если она тоже поглощает часть света.
Стоит отметить, что по части спектроскопических межпланетных исследований Россия занимает не последнее место. При участии Института космических исследований РАН создавался европейский инфракрасный спектрометр OMEGA для Mars Express; на том же аппарате стоит результат совместной работы российских, бельгийских и французских ученых - инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометр SPICAM; совместно с итальянцами специалисты ИКИ РАН разработали прибор PFS. Схожий набор приборов был установлен на аппарате Venus Express, который закончил свою миссию в конце 2014 года.
Как видим, свет обеспечивает нас значительным объемом информации о Солнечной системе, надо только уметь смотреть и видеть, но есть и другие средства, связанные уже с ядерной и радиофизикой. И это тема для следующего обзора.
Zelenyikot
Чтобы не пропустить следующий материал можно подписаться на ЖЖ, Twitter или Fb.