О первых результатах работы прибора ФРЕНД на борту аппарата ТГО (миссия «ЭкзоМарс-2016») рассказали участники эксперимента из России и Болгарии на специальной сессии Европейского конгресса по планетным исследованиям в Берлине.

Номинальная научная миссия аппарата ТГО начинается в сентябре 2018 года, и выступления на конгрессе касались предварительных результатов калибровок и наблюдений, сделанных после выхода аппарата на рабочую орбиту.

ФРЕНД — нейтронный спектрометр, один из четырех приборов научной нагрузки космического аппарата ТГО (TGO,  сокращение от Trace Gas Orbiter) совместной российско-европейской миссии «ЭкзоМарс-2016». Прибор ФРЕНД создан в Институте космических исследований РАН. С его помощью можно изучать одновременно и Марс, и радиационную обстановку в космосе. Детекторы ФРЕНД регистрируют потоки нейтронов — массивных элементарных частиц, не имеющих заряда, которые излучаются поверхностью планеты под воздействием галактических космических лучей и наполняют окружающее космическое пространство. Кроме этого, в состав прибора включен блок дозиметрии «Люлин-МО», который регистрирует потоки высокоэнергичных космических лучей. Он разработан по заказу ИКИ в Институте космических исследований и технологий Болгарской академии наук (ИКИТ БАН).

Работа ФРЕНДа началась ещё во время перелёта к Марсу (апрель–сентябрь 2016 года), когда измерялся уровень радиации во время перелёта «Земля-Марс». Затем ФРЕНД включался на этапе высокоэллиптических орбит аэроторможения (ноябрь 2016 – март 2017 года), проводя калибровки детекторов. С апреля 2018 года, после выхода ТГО на рабочую орбиту, начались наблюдения поверхности по научной программе исследований планеты.

Первая задача эксперимента — построить карту распространенности воды в грунте планеты с помощью методов нейтронной спектроскопии. Изучая поток нейтронов, выходящих из-под поверхности планеты, их энергетические спектры и интенсивность, можно установить массовую долю водорода в приповерхностном (около 1,5 м глубиной) слое грунта. Водород — составная часть молекул воды. Соответственно, с помощью нейтронных детекторов можно определить, сколько воды и водяного льда находится в районах на Марсе, над которыми пролетает ТГО и таким образом картировать районы «вечной мерзлоты» и ледников.

Составить такую карту с высоким пространственным разрешением около 60 км —  важнейшая задача марсианских исследований. Сопоставляя эти карты с другими данными о Марсе, прежде всего с рельефом поверхности планеты, можно изучить  историю планеты, выяснить роль воды для её эволюции.

Наблюдения ФРЕНД с рабочей орбиты уже идут, но для того, чтобы построить карты с высоким пространственным разрешением, необходимо большая статистика отсчетов нейтронов, которую прибор непрерывно накапливает прямо сейчас. Однако даже спустя относительно небольшое время работы на орбите (около 120 дней, что составляет всего 15% от планируемой продолжительности основной  научной миссии ТГО), в возникающей карте уже начали прослеживаться характерные черты распространенности на поверхности замерзшей марсианской воды и сезонных полярных шапок из сухого снега углекислоты. Как сообщил на конгрессе научный сотрудник отдела ядерной планетологии ИКИ РАН Алексей Малахов, сегодня на Марсе наблюдается  сезонная переменность нейтронного потока на южном полюсе, где сейчас наступает весна и испаряются сезонные полярные снежные шапки.

Ближе к экваториальным областям наблюдаются районы повышенного содержания воды, которые ранее не были различимы прибором ХЕНД. ХЕНД — нейтронный детектор, также разработанный в ИКИ, проводит наблюдения Марса с борта аппарата НАСА «Марс Одиссей» уже более 16 лет. Этот прибор имеет пространственное разрешение около 400 км. Таким образом уже сейчас можно сказать, что при накоплении данных за все время основной научной миссии прибор ФРЕНД сможет качественно улучшить наши знания о пространственном распределении грунтовой воды на Марсе. Именно районы с максимально высоким содержанием воды станут наиболее перспективными для поиска признаков жизни или палеожизни на этой планете.

Внешний вид прибора ФРЕНД с блоком дозиметрии (с) Роскосмос/ЕКА/ФРЕНД/ИКИ

Вторая задача — оценка дозы радиации, которую могут получить участники пилотируемых экспедиций во время перелёта к Марсу и на орбите около планеты. Как показали данные «Люлин-МО», за пять месяцев полёта средний поток галактических космических лучей составил 3,1–3,3 частиц на квадратный сантиметр в секунду, поглощенная в кремний доза составила 370-390 микрогрей в день. На рисунке показаны потоки и дозы галактических космических лучей, измеренные за время перелета от апреля до июля 2016 г. Эти числа можно перевести в эквивалентную дозу радиации ионизирующего излучения, которую используют применительно к живым системам. Как рассказала на конгрессе Йорданка Семкова, сотрудник ИКИТ БАН, по данным «Люлин-МО» можно заключить, что за время пилотируемого перелёта от Земли к Марсу и обратно (6 месяцев в один конец) его участники могут получить дозу примерно 60% от полной величины, допустимой для космонавта за всю его жизнь при условии что стенки космического аппарата аналогичны тем, которые закрывают «Люлин-МО». Допустимая доза для космонавта за всю его профессиональную деятельность составляет 1 зиверт. Надо учитывать, что измерения проводились во время понижения солнечной активности, когда поток высокоэнергичных галактических космических лучей во внутренней области солнечной системы достигает своего максимума.

Потоки и дозы галактических космических лучей, измеренные дозиметром "Люлин-МО" в составе прибора ФРЕНД за время перелета от апреля до июля 2016 г. (с) Роскосмос/ЕКА/ФРЕНД

Когда ТГО находился на высокоэллиптической орбите, эквивалентная доза составляла около 2,2–2,3 миллизиверта в день. Доза уменьшилась вследствие «тени» Марса, которая частично закрывала аппарат от космических лучей. Первые данные измерений на низкой круговой орбите с высотой около 400 км над поверхностью привели к дальнейшему уменьшению величины дозы. Сейчас она составляет около 1,5–1,6 миллизиверта в день.

***

Научная задача эксперимента ФРЕНД/FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector, «Детектор эпитепловых нейтронов высокого разрешения») — изучение с орбиты глобального распределения водяного льда в верхнем слое грунта Марса и радиационной обстановки на орбите.

Разработанный в Институте космических исследований РАН прибор представляет собой коллимированный нейтронный телескоп, регистрирующий поток эпитепловых нейтронов от поверхности Марса. На основе его данных будут построены карты пространственного распределения грунтовой воды в верхнем слое поверхности Марса. В состав прибора входит отдельный дозиметрический модуль “Люлин-МО” для мониторинга радиационной обстановки. Научный руководитель проекта — д.ф.-м.н. Игорь Георгиевич Митрофанов (ИКИ РАН). Соисполнители: Институт космических исследований и технологий Болгарской академии наук (София), ФГУП «ВИМС» (г. Москва), ОАО «ГНЦ НИИАР» (г. Димитровград-10), ИМАШ РАН (г. Москва), ОИЯИ (г. Дубна, Московская обл.), ГНЦ РФ ИМБП РАН (г. Москва).

***

Проект “ЭкзоМарс” — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства по исследованию Марса, его поверхности, атмосферы и климата с орбиты и на поверхности планеты. Он откроет новый этап исследования космоса для Европы и России.

- Новости проекта "ЭкзоМарс"