نمونه های بازگشتی از یک قمر مریخ: درون علم ماموریت جسورانه MMX ژاپن

ماموریت ژاپن به مریخ یکی از جاه طلبانه ترین ماموریت ها در تاریخ پروازهای فضایی است. هدف آن تبدیل شدن به اولین فضاپیمایی است که از مدار مریخ به زمین باز می گردد و اولین نمونه های سیاره سرخ را با خود حمل می کند.

این ماموریت که با نام کاوش قمرهای مریخی (MMX) شناخته می شود، اولین تلاش در نوع خود برای مطالعه منشا قمرهای فوبوس و دیموس مریخ است. این اقدام قوی شامل فرود روی فوبوس برای جمع‌آوری نمونه‌ها - که احتمالا اولین نمونه از منظومه مریخ است که به زمین بازمی‌گردد - و جستجو برای شواهدی است که می‌تواند رویدادهای شکل‌گیری منظومه شمسی را در میلیاردها سال پیش روشن کند.

MMX قرار است روز دوشنبه (19 اکتبر) ساعت 3:41 بعد از ظهر با موشک H3 از مرکز فضایی تانگاشیما ژاپن پرتاب شود. EDT (1941 GMT؛ ساعت 4:41 صبح به وقت محلی ژاپن، 20 اکتبر). پس از یک سفر 10 ماهه برای رسیدن به مریخ، فضاپیما حدود سه سال را صرف مطالعه فوبوس، استقرار یک مریخ نورد و فرود برای جمع آوری نمونه های آن خواهد کرد. سپس این مأموریت تمرکز خود را روی Deimos برای یک سری پرواز پیش از عزیمت به زمین در نوامبر 2030 تغییر خواهد داد. اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود، کپسول بازگشت نمونه MMX قرار است در سال 2031 در استرالیا فرود بیاید. فضاپیما

فضاپیمای MMX از سه قسمت اصلی و همچنین یک مریخ نورد کوچک تشکیل شده است. پس از رها شدن از وسیله نقلیه پرتاب H3، یک ماژول نیروی محرکه تقویتی را برای قرار دادن MMX در مسیر مریخ فراهم می کند. ماژول اصلی اکتشاف MMX، مریخ نورد IDEFIX در اندازه مایکروویو و اکثر ابزارهای علمی مأموریت را حمل می‌کند، در حالی که ماژول برگشت کپسول بازگشت نمونه را در خود جای داده است.

میتسوبیشی الکتریک ژاپن سه ماژول اصلی MMX را ساخت که آژانس فضایی فرانسه CNES (Centre National d'Études Spatiales) و DLR آلمان (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt) به طور مشترک IDEFIX را توسعه می دهند. این مریخ نورد کوچک به خاطر سگی در کمیک فرانسوی دهه 1960 "آستریکس" نامگذاری شده است که به اولین ماهواره این کشور، آستریکس، که در سال 1965 پرتاب شد، اشاره کرد.

IDEFIX مجموعه‌ای از دوربین‌ها و همچنین طیف‌سنج رامان برای MMX (RAX) و ابزارهای رادیومتر کوچک (miniRAD) را برای تجزیه و تحلیل ترکیب سطح و دمای فوبوس دارد.

ماژول پیشرانه (سمت چپ) و ماژول‌های کاوش و بازگشت (راست)، که با هم فضاپیمای کاوش قمرهای مریخی ژاپن (MMX) را تشکیل می‌دهند، در مرکز فضایی تانگاشیما در مینامیتان، استان کاگوشیما در 13 اوت 2026 مشاهده می‌شوند. بیشتر ابزارهای علمی MMX در ماژول اکتشافی قرار دارند، مانند دستگاه کاوش ماه مریخ ناسا با پرتوهای گاما و نوترون (MEGANE، تلفظ "مه-گاه-نای")، یک طیف‌سنج پرتو گاما و نوترون ساخته شده توسط Johns Hopkins Applied Physics (IMMIX)

دستگاه طیف سنج nfraRed).

ماژول کاوش همچنین دارای دوربین ژاپنی TENGOO (تصویرگر نادر تلسکوپیک برای GeOmOrphology) با زوم محکم، دوربین چند طیفی OROCHI (رادیومتر نوری متشکل از تصویرگرهای رنگی)، ارتفاع سنج لیزری (LIDAR) و تحلیلگر طیف جرمی (MSA) است. در همین حال، ماژول بازگشت، دارای مانیتور گرد و غبار محیطی-مریخی ژاپن (CMDM) و مانیتور محیط تابش بین سیاره ای (IREM) است.

ماموریت

MMX در آگوست 2027 به مدار مریخ می‌رسد، در این مرحله ماژول پیشرانه خود را رها می‌کند و به مداری شبه ماهواره‌ای (QSO) در اطراف فوبوس تبدیل می‌شود که به کاوشگر اجازه می‌دهد تا در نوعی شکل گیری با قمر کوچک و به اندازه یک سیارک در حالی که هر دو دور سیاره سرخ می‌چرخند، پرواز کند.

این فضاپیما چند ماه اول خود را در سیستم مریخ با رصد فوبوس از ارتفاعات مختلف، با استفاده از دوربین های TENGOO و OROCHI، LIDAR و MSA برای نقشه برداری از سطح ماه، مطالعه ترکیب آن و انتخاب مکان های فرود احتمالی سپری خواهد کرد.

IDEFIX در اواخر سال 2028 یا اوایل سال 2029، در اولین تمرین از دو تمرین فرود MMX، در حدود 130 فوت (40 متر) بالاتر از فوبوس منتشر خواهد شد. به دلیل گرانش بسیار کم ماه با عرض 14 مایل (22 کیلومتر)، مریخ نورد قادر خواهد بود بدون آسیب به سطح سقوط کند (امیدواریم)، ​​بلافاصله پس از چند پرش و شروع به کاوش برای جمع آوری اطلاعات در زمین و شرایط سطحی کند.

هنرمندانی از IDEFIX بر روی سطح فوبوس رندر می کنند. (اعتبار تصویر: CNES/DLR/JAXA (ASTERIX® OBELIX® IDEFIX® © Année LES EDITIONS ALBERT RENE / GOSCINNY-UDERZO)) لیندسی هیز، مدیر موقت بخش علوم سیاره ای ناسا، طی یک جلسه توجیهی ماموریت در 15 اکتبر گفت که جمع آوری نمونه MMX می تواند از دسامبر 2028 آغاز شود.

در سطح فوبوس، دو مکانیسم نمونه برداری مختلف - مکانیزم نمونه برداری هسته ای (C-sampler) و مکانیزم نمونه برداری پنوماتیک (P-sampler) - حداقل 10 گرم (0.35 اونس) مواد را استخراج و جمع آوری می کنند تا در داخل کپسول بازگشت فضاپیما قبل از بلند شدن مجدد MMX در مدار قرار گیرد. پس از اولین برخورد و جمع‌آوری نمونه، MMX قبل از فرود به محل فرود دوم برای تلاش مشابه و پس از آن بازگشت به مدار، به QSO در نزدیکی فوبوس باز می‌گردد.

مفهوم یک هنرمند از فضاپیمای MMX JAXA در طول قرار دادن آن در مدار مریخ. (اعتبار تصویر: JAXA) MMX رصدهای خود از فوبوس را پس از حدود سه سال تمرکز بر روی قمر مریخ پایان خواهد داد و در سال 2030 به مداری بالاتر و تشدید کننده به دور مریخ منتقل خواهد شد. این مسیر به طور مکرر مسیر دیموس را برای مجموعه ای از پروازها قطع می کند تا داده های رصدهای فوبوس را جمع آوری و مقایسه کند تا دانشمندان در منشأ تحقیقات خود را بررسی کنند.

نزدیک به پایان سال 2030، ماژول اکتشافی از هم جدا می‌شود و ماژول بازگشتی را ترک می‌کند تا موتور خود را از نفوذ گرانشی مریخ خارج کند و سفری هشت ماهه به زمین را با نمونه‌های جمع‌آوری‌شده آغاز کند. همانطور که MMX در سال 2031 آخرین امتداد فضای خالی را در طول نزدیک شدن به زمین می بندد، کپسول برگشت نمونه جدا شده و برای فرود هدفمند چتر نجات در منطقه Woomera استرالیا وارد جو می شود، جایی که محتویات آن برای تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی توسط ژاپن و شرکای ماموریتش بازیابی می شود.

فوبوس و دیموس

این نمونه‌ها و داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط MMX، می‌توانند چیزهای زیادی را به دانشمندان بگویند - در مورد ترکیب قمرها، جغرافیا و شاید مهم‌تر از همه، نحوه پیدایش آنها در وهله اول. دو نظریه اصلی برای ریشه فوبوس و دیموس وجود دارد که هر دو به نسخه های بسیار متفاوتی از تاریخ مریخ باستان اشاره می کنند.

تام استاتلر، مدیر برنامه MMX و دانشمند در بخش علوم سیاره ای ناسا، در جریان جلسه توجیهی ماموریت 15 اکتبر گفت: "فوبوس و دیموس جالب هستند، اما نه فقط به خودی خود. حضور آنها یک قطعه کلیدی از داستان بزرگتر منظومه مریخ است." با کشف منشا قمرها، ما بینش جدیدی در مورد تاریخ مریخ و زمین به دست خواهیم آورد، به ویژه آن رویدادهایی که میلیاردها سال پیش هر دو سیاره را شکل دادند و به ایجاد جهان هایی که امروز می بینیم کمک کردند.

فوبوس و دیموس هر دو نسبتا کوچک و نامنظم هستند و شباهت‌ها و ویژگی‌های طیفی متعددی با سیارک‌های اولیه نوع D دارند - اجسام باستانی که تصور می‌شود موادی را حفظ می‌کنند که قدمت آنها به شکل‌گیری منظومه شمسی در حدود 4.6 میلیارد سال پیش بازمی‌گردد. این شباهت ها نشان می دهد که فوبوس و دیموس ممکن است در جای دیگری از منظومه شمسی شکل گرفته باشند و بعدا توسط گرانش مریخ دستگیر شدند.

فوبوس بزرگ‌تر از دو قمر کوچک مریخ است و زخم‌های هزاران ساله برخوردهای کوچک را به همراه دارد. (اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech/دانشگاه آریزونا) با این حال، مدارهای نزدیک به دایره و هم تراز با استوایی آنها به دور سیاره سرخ، این نظریه را تا حدودی پیچیده می کند. به‌عنوان مثال، دانشمندان می‌گویند، سیارک‌های دستگیر شده به احتمال زیاد وارد مداری کشیده و کج شده مشابه جهت و سرعت رویکرد اولیه‌اش شده است. بنابراین، یک فرضیه رقیب، روایتی خشن‌تر، اما تا حدودی آشنا برای منشأ ماه‌ها ارائه می‌کند.

یک برخورد عظیم با مریخ باستانی می‌توانست موادی را به مدار منفجر کند و یک دیسک زباله تشکیل دهد که در نهایت دو قمر از آن ادغام شدند. چنین فرآیندی، که شبیه به شکل گیری ماه زمین است، می تواند مدارهای دایره ای و استوایی آنها را توضیح دهد.

مشاهدات متضاد زمین‌شناسی و مداری فوبوس و دیموس که تا به امروز جمع‌آوری شده است، دانشمندان را از ایجاد قطعی یک فرضیه بر فرضیه دیگر باز داشته است. هدف MMX ارائه پاسخ است.

تصاویر ثبت شده توسط مدارگرد شناسایی مریخ ناسا نشان می دهد که سطح دیموس عمدتا صاف است و تنها توسط دهانه های برخوردی اخیر خدشه دار شده است. (اعتبار تصویر: NASA/JPL/دانشگاه آریزونا) استاتلر گفت: "این دو مدرک کاملا متفاوت است که به دو جهت متفاوت اشاره می کند. این چیزی است که آن را به یک پازل جالب تبدیل می کند." وی افزود، چندین نظریه نیز برای سناریوهای ترکیبی با ترکیب این دو ارائه شده است.

استاتلر توضیح داد: «انواع راه‌های مختلف، انواع ترکیب‌های مختلف از این دو سناریو اساسی وجود دارد. اما این معما از ابتدا بود، دو خط شواهد به ظاهر متناقض که به ما اشاره می‌کنند که ... تاریخ واقعی چه بوده است، اما ما هنوز نمی‌دانیم آن چیست.»

علم

هر نظریه برای اینکه قمرهای مریخ از کجا آمده اند، ویژگی های شیمیایی متفاوتی را برای سطوح آنها پیش بینی می کند. احتمالا، سیارک‌های دستگیر شده می‌توانند نشانه‌های شیمیایی موادی را که از جاهای دیگر منظومه شمسی سرچشمه می‌گیرند، حفظ کنند، که به طور بالقوه غنی از عناصر فرار مانند هیدروژن است. با این حال، قمرهایی که در اثر برخورد سیاره ای شکل می گیرند، حاوی مخلوطی از مریخ و مواد برخوردی هستند که در اثر گرمای شدید چنین برخورد شدیدی تغییر می کند.

تعیین اینکه کدام سناریو محتمل‌تر است می‌تواند نشان دهد که آیا مریخ برخورد عظیمی را تجربه کرده است یا اینکه قمرهای خود را از جای دیگری در منظومه شمسی اولیه به دست آورده است. اعضای تیم ماموریت می گویند که هر یک از این پاسخ ها می تواند بینش جدیدی در مورد تکامل سیاره و رویدادهایی که میلیاردها سال پیش سیارات زمینی مانند زمین را شکل داده اند ارائه دهد.

دیوید لارنس، محقق اصلی MEGANE در APL، در جلسه توجیهی 15 اکتبر گفت: "در این مرحله، ما هیچ چیز در مورد ترکیب فوبوس نمی دانیم." "ما اطلاعاتی در مورد کانی شناسی داریم، اما ترکیب عنصری نداریم. بنابراین، عناصر واقعا یک راه کلیدی برای دستیابی به برخی از این سؤالات اساسی هستند."

مجموعه علمی MMX به دقت کالیبره شده است تا این تصمیمات را انجام دهد. دوربین‌ها و حسگرهای دستگاه‌های TENGOO، OROCHI و LIDAR ماژول کاوش MMX، زمین فوبوس، ویژگی‌های زمین‌شناسی و تغییرات مواد سطحی را از مدار نقشه‌برداری می‌کنند تا سرنخ‌هایی درباره شکل‌گیری و تکامل ماه ارائه کنند. مکمل این اندازه‌گیری‌ها، MIRS برای شناسایی و طبقه‌بندی کانی‌های سطح فوبوس و جستجوی ترکیبات آلی برای تمایز بیشتر منشا احتمالی آن به عنوان یک سیارک یا تکه باستانی مریخ طراحی شده است.

طیف‌سنج RAX و ابزار miniRAD روی IDEFIX با بررسی کانی‌شناسی سطح و خواص حرارتی آن‌ها از نزدیک، زمینه‌ای محلی را به مشاهدات اضافه می‌کنند.

ابزار مگان ناسا در مدار، ترکیب عنصری فوبوس را از طریق طیف‌سنجی پرتو گاما و نوترون که می‌تواند ده‌ها سانتی‌متر زیر سطح ماه را برای نشانه‌هایی از عناصر فرار اسکن کند، اندازه‌گیری می‌کند. به عنوان مثال، فراوانی بیشتر هیدروژن، کلر، سدیم و پتاسیم به نفع فرضیه گرفتن سیارک است، در حالی که فراوانی کمتر این ترکیبات می‌تواند به گرما و زوال شیمیایی مرتبط با برخورد سیاره اشاره کند.

لارنس گفت: «در ژاپنی «مگان» به معنای عینک است. بنابراین ما دوست داریم که مگان را ابزاری بدانیم که فوبوس را با اشعه گاما و عینک های نوترونی می بیند.

یک شهاب سنگ مریخی در زیر میکروسکوپ و نمونه دست. (اعتبار تصویر: دانشگاه آزاد، CC BY-NC-SA) در مقایسه با نمونه‌هایی که MMX به زمین بازخواهد گشت، یافته‌های مگان می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تعیین کنند که آیا تخلیه فرار یافت شده در فوبوس منعکس‌کننده گرمای شدید یک سازند پس از برخورد است یا میلیاردها سال فرسایش بعدی ناشی از اثرات طبیعی قرار گرفتن در فضا.

در همین حال، MSA ذرات باردار اطراف فوبوس را اندازه گیری خواهد کرد، به دنبال شواهدی از یخ های زیرسطحی می گردد و بررسی می کند که چگونه قرار گرفتن در معرض باد خورشیدی سطح ماه را تغییر داده است. همچنین ذرات اتمسفر فرار از مریخ را بررسی خواهد کرد. CMDM گرد و غبار اطراف مریخ، از جمله ذراتی که به طور بالقوه از قمرهای آن در اثر برخورد به بیرون پرتاب می شوند را اندازه گیری خواهد کرد.

مشاهدات مقایسه ای دیموس پس از خروج نهایی MMX از فوبوس به تعیین اینکه آیا قمرها دارای ترکیبات مشابه و به طور بالقوه منشاء مشترک هستند یا خیر کمک خواهد کرد.

پس از بازگشت ایمن به زمین، تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی نمونه‌های فوبوس به دانشمندان این امکان را می‌دهد که ترکیب شیمیایی و کانی‌شناسی را با دقتی فراتر از ابزارهای MMX بررسی کنند. آزمایش‌هایی مانند آنالیزهای ایزوتوپی - اندازه‌گیری تفاوت‌های ظریف در ترکیب اتمی عناصر - می‌تواند به شناسایی منشأ نمونه‌ها با مقایسه اثر انگشت شیمیایی آنها با سنگ‌های مریخ و مواد سیارکی کمک کند.

دانشمندان JAXA (آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن) فکر می‌کنند که برخی از مواد بازگردانده شده حتی می‌تواند از خود مریخ سرچشمه بگیرد، که پس از برخورد سیارک‌های باستانی که سنگ‌هایی را از سطح سیاره سرخ منفجر کرد، در فوبوس رسوب کرده است و به طور بالقوه شواهدی از گذشته زمین‌شناسی آن را در خود جای داده است.

نمودار ایزوتوپ اکسیژن تفاوت فاحش در اکسیژن بین زمین، مریخ و سیارک ها را نشان می دهد. اگر فوبوس واقعا نمایانگر یک قطعه باستانی از مریخ باشد، می تواند ابتدایی ترین مواد مریخ را تشکیل دهد. (اعتبار تصویر: دانشگاه آزاد، CC BY-NC-SA) تلاش بین المللی

ماموریت تحت رهبری JAXA نشان دهنده مشارکت های بین سازمانی با ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA) است که از طریق شبکه های Deep Space و Estrack پشتیبانی سخت افزاری و ارتباطی را ارائه می دهند.

کمک های ناسا به MMX همچنین شامل MEGANE، نمونه P-Sampler ساخته شده توسط Honeybee Robotics، و سرمایه گذاری تقریبا 87 میلیون دلاری تا پایان ماموریت است. هیز در جریان جلسه توجیهی ماموریت گفت، ناسا به دانشمندان ایالات متحده در تیم MMX کمک مالی می کند، که در کنار کارشناسان مواد نجومی ناسا، "به طور کامل در بررسی و تجزیه و تحلیل علمی نمونه های فوبوس هنگامی که به زمین تحویل می شوند، مشارکت خواهند داشت." ما تمام ارزش و مشارکت علمی را با هزینه کمتری [از تامین مالی کل ماموریت] دریافت می کنیم.

ناسا برای نقش خود، حداقل 15 درصد از نمونه های بازگردانده شده را دریافت خواهد کرد و موادی که قرار است در مرکز فضایی جانسون این سازمان در هیوستون برای تجزیه و تحلیل و نگهداری طولانی مدت نگهداری شوند. برای این منظور، تأثیر علمی MMX می تواند بسیار فراتر از نتیجه گیری ماموریت باشد.

استاتلر گفت: «نمونه‌های فوبوس تاریخی خواهند بود، با پتانسیل تحقیقات آینده برای پاسخ به سؤالاتی که حتی نمی‌دانیم چگونه بپرسیم».