بپی کولومبو: مسافر سیاره بکر عطارد

سفر هفت‌ساله سومین مسافر بشر به عطارد، آغاز شد. کاوشگر یک میلیارد و دویست میلیون یورویی «بپی‌کولومبو»، کاری مشترک از سازمان‌های فضایی اروپا (ESA) و ژاپن (JAXA)، مجهز به دو مدارگرد و مجموع شانزده ابزار علمی، سوار بر یک فروند موشک آریان-۵، پایگاه فضایی گویان فرانسه را به مقصد یک مدار پیچیده تا نزدیک‌ترین سیاره به خورشید ترک گفت. در این یادداشت، نگاهی به پیشینه سفر به عطارد، ابعاد فنی مأموریت بپی‌کولومبو، و اهداف علمی آن خواهیم داشت.

سفر به سیاره بکر 

عطارد، کوچک‌ترین سیاره منظومه شمسی، و نزدیک‌ترین سیاره به خورشید است. علی‌رغم فاصله ۷۷ میلیون کیلومتری آن تا ما (که آن را کمی بیش از بیست میلیون کیلومتر از مریخ دورتر ساخته)، دانش‌مان از این سیاره به مراتب کمتر از دانش ما نسبت به زهره و مریخ، دیگر دو سیاره سنگی منظومه شمسی است. در واقع تا اواسط دهه ۱۹۶۰، هیچ راه مستقیم و مقرون‌به‌صرفه‌ای را برای ارسال یک کاوشگر به عطارد نمی‌شد متصور بود؛ چراکه با در نظر گرفتن سرعت مداری نسبتاً بالای زمین (به عنوان مبدأ فضاپیما)، فاصله نسبتاً اندک عطارد تا خورشید، میدان جاذبه پرقدرت خورشید، و میدان جاذبه ضعیف عطارد، ارسال فضاپیمایی به قصد ملاقاتی ولو کوتاه با این سیاره، مستلزم صرف انرژی بیشتری نسبت به تلاش برای ارسال فضاپیمایی به قصد پلوتو، واقع در مرز منظومه شمسی است.

اما در اواسط دهه ۱۹۶۰، سازمان فضایی ایالات متحده (ناسا) با الهام از محاسبات مداری جوزپه (بپی) کولومبو، ریاضیدان ایتالیایی، مداری را برای اعزام نخستین سفیر بشر به عطارد – کاوشگر مارینر ۱۰ – تعریف کرد. در این مدار، برای نخستین بار از میدان جاذبه یک سیاره (در اینجا زهره) برای تغییر مسیر یک فضاپیما استفاده می‌شد. بدین‌وسیله کاوشگر مارینر ۱۰ در سال ۱۹۷۳ به فضا پرتاب شد، و با دو دفعه عبور از کنار سیاره زهره، مجموعاً سه بار از جوار سیاره عطارد گذشت و موفق شد ۴۵ درصد از سطح این سیاره را نقشه‌برداری کند.

سی سال بعد، «مسنجر»، دومین مأموریت ناسا به قصد عطارد، با کمک گرفتن از میدان جاذبه زمین و زهره، سفر نُه‌ساله خود را به این سیاره آغاز کرد. این کاوشگر با سه دفعه عبور از کنار عطارد طی سالیان ۲۰۰۸ و ۲۰۰۹، سرانجام در سال ۲۰۱۱ برای نخستین بار به مداری در اطراف سیاره وارد شد و تا سال ۲۰۱۳، در نقش مکملی برای مأموریت مارینر ۱۰، به نقشه‌برداری از باقی نقاط عطارد پرداخت (نگاه کنید به: میراث مسنجر: ملاقات با کسل‌کننده‌ترین سیاره).

جملگی اطلاعات ما از عطارد به یافته‌های همین دو کاوشگر، و همچنین مشاهدات ناچیز زمینی محدود است. نزدیکی سیاره به خورشید، امکان مطالعه تلسکوپی آن را به دلیل آسیب‌های احتمالی این اقدام به اپتیک تلسکوپ‌ها، سخت دشوار کرده. اما در عکس‌های ماهواره‌ای، چهره این سیاره با دشت‌های وسیع خاکستری و دهانه‌های برخوردی آن، بی‌شباهت به ماه نیست. دمای سطحی‌‌اش از ۱۰۰ تا ۷۰۰ کلوین (به ترتیب در شب و روز) متغیر است. دو سوم حجم سیاره را هسته آهنی-نیکلی آن شکل داده. انتظار می‌رود که با توجه به حجم کمتر عطارد در نسبت با سایر سیارات سنگی منظومه، این سیاره گرمای درونی خود را به مراتب زودتر از مریخ و زهره از دست داده باشد – و تشخیص عوارضی شبیه به ترک‌های سرتاسری بر پوسته نازک این سیاره نیز مؤید همین سرمایش زودهنگام است.

اما یافته‌های مارینر ۱۰ مبنی بر وجود یک میدان ضعیف مغناطیسی در اطراف این سیاره، به معمایی دیرینه راجع به وضعیت فعلی هسته سیاره دامن زده است؛ چراکه یک میدان مغناطیسی سرتاسری، تنها در صورت مذاب بودن (دست‌کم بخشی از) هسته امکان‌پذیر خواهد بود. آیا وجود ناخالصی‌هایی همچون گوگرد در هسته، موجب افزایش نقطه ذوب این منطقه از سیاره شده است؟

در ضمن، عطارد از نوع موقتی از جو، موسوم به «اگزوسفر» نیز میزبانی می‌کند. میدان جاذبه ضعیف سیاره، امکان میزبانی آن از یک جو دائمی را منتفی کرده؛ ولی نزدیکی سیاره به خورشید و قرارگیری مستمر آن در معرض ذرات باد خورشیدی، در کنار واپاشی عناصر رادیواکتیو موجود در پوسته، و برخورد زیرشهابسنگ‌ها به سطح سیاره، موجب شده تا جوی رقیق از عناصر هیدروژن، هلیوم، اکسیژن، سدیم، کلسیم، پتاسیم و منیزیم در اطراف آن پیوسته تشکیل و تخلیه گردد.

در سال ۲۰۱۲، کاوشگر مسنجر شواهدی را مبنی بر وجود یخ آب در دهانه‌های شهابسنگی واقع در قطب شمال عطارد به دست آورد. با توجه به انحراف ناچیز محور چرخش عطارد نسبت به صفحه منظومه شمسی، قعر این دهانه‌ها تا میلیون‌ها و بلکه میلیاردها سال، در سایه‌ای دائمی قرار داشته و دارند و حرارت خورشید آسیبی به سفره‌های یخ‌پوش این منطقه وارد نکرده است. احتمال می‌رود که منشأ این آب منجمد، برخورد دنباله‌دارها به سطح عطارد باشد (نگاه کنید به: رونمایی از چهره‌های جدید ماه و عطارد).

نظر به این ویژگی‌های شگفت‌انگیز، انتظار می‌رود که مسافر جدید عطارد نیز به یافته‌هایی چنین جذاب‌ دست یابد

مسافر سوم: بپی کولومبو

بپی‌کولومبو کاوشگری است دوقلو، متشکل از «مدارگرد سیاره‌ایِ عطارد» (MPO) و «مدارگرد مغناطیس‌سپهریِ عطارد» (Mio) که قرار است با یک بار گذر از کنار زمین (در آوریل ۲۰۲۰)، دو بار گذر از کنار زهره (در اکتبر ۲۰۲۰ و اوت ۲۰۲۱)، و شش بار گذر از کنار عطارد (بین سالیان ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۵)، عاقبت به مدت حداکثر دو سال، در دسامبر ۲۰۲۵ به مداری در اطراف عطارد وارد شود. به مجرد استقرار فضاپیما در مدار، دو مدارگرد از یکدیگر جدا گشته، و به کاوش هماهنگ سیاره و میدان مغناطیسی آن خواهند پرداخت.

در طول مدت هفت‌ساله پرتاب تا استقرار بپی‌کولومبو در مدار، تأسیساتی موسوم به «ماژول انتقالی عطارد» (MTM) با دو بازوی ۱۴ متری از پنل‌های خورشیدی، انرژی مورد نیاز فضاپیما برای مانورهای مداری آن را به کمک چهار «پیشرانه یونی» قدرتمند فراهم می‌کند. پیشرانه‌های یونی گونه‌ای موتور الکتریکی‌‌اند که با شتاب بخشیدن به یون‌های مثبت یک گاز نجیب (به عنوان نمونه آرگون یا زنون) از طریق نیروی الکتریسیته، شتابی ضعیف اما مستمر را به فضاپیما وارد می‌کنند – گویی که فضاپیما ماه‌ها مشغول ترمز کردن است. به مجرد استقرار بپی‌کولومبو در مدار، MTM نیز دو مدارگرد را ترک می‌گوید و به مأموریت لجستیکی هفت‌ساله خود پایان می‌دهد.

مدارگرد سیاره‌ایِ عطارد، به یازده ابزار علمی برای بررسی سطح، جو و درون عطارد مجهز است که با همکاری کشورهای سوئیس، آلمان، ایتالیا، انگلستان، روسیه، فنلاند، ایالات متحده، اتریش و فرانسه طراحی و ساخته شده‌اند. مدارگرد مغناطیس‌سپهری عطارد نیز که عمدتاً توسط ژاپن طراحی و ساخته شده، با بهره‌مندی از پنج ابزار علمی (مشتمل بر چهار ابزار سنجشی برای تشخیص غبار و پلاسما، و یک مغناطیس‌سنج)، در یک مدار کشیده و قطبی در اطراف عطارد مستقر خواهد شد تا به نقشه‌برداری از میدان مغناطیسی این سیاره بپردازد (عنوان ژاپنی Mio برای این مدارگرد، به معنای آبراهی برای عبور کشتی‌ها، استعاره‌ای از راه طی‌شده در مسیر پژوهش و پیشرفت است).

اهداف علمی مأموریت بپی‌کولومبو، ذیل شش سرفصل تعریف شده است: الف) بررسی خاستگاه و تحولات سیارات نزدیک به ستاره مادر؛ ب) بررسی شکل، ساختار درونی، ترکیب زمین‌شناختی، و دهانه‌های برخوردی عطارد؛ پ) بررسی ترکیب و دینامیک اگزوسفر عطارد، و فرآیند تشکیل و تخلیه آن؛ ت) بررسی ساختار و دینامیک مغناطیس‌سپهر عطارد؛ ث) بررسی خاستگاه میدان مغناطیسی عطارد؛ و ج) آزمودن نظریه نسبیت عام اینشتین در درونی‌ترین ایستگاه واقع در میدان جاذبه خورشید.

بپی‌کولومبو، پس از مأموریت‌های جیوتو (به مقصد هسته دنباله‌دار هالی)، هویگنس (به مقصد تایتان، بزرگ‌ترین قمر زحل)، مارس اکسپرس (به مقصد مریخ)، ونوس اکسپرس (به مقصد زهره)، اسمارت ۱ (به مقصد ماه)، و روزتا (به مقصد هسته دنباله‌دار چوریوموف-گراسیمنکو)، هفتمین مأموریت اختصاصی سازمان فضایی اروپا برای کاوش در نقاط مختلف منظومه شمسی است.