Планеты и луны нашей Солнечной системы постоянно подвержены бомбардировке частичками, исходящими от Солнца. На Земле мы хорошо защищены от них, благодаря атмосфере и магнитному полю, но на Луне или Меркурии вследствие таких бомбардировок верхний каменный слой все больше и больше изнашивается. И вот новое исследование показало, что этот эффект до сих пор был отчасти недооценен.

Частички Солнца с огромной скоростью бомбардируют поверхность Меркурия. Иллюстрация NASA / TU Wien

Бомбардировки солнечным ветром имеют отчасти более радикальный эффект, чем до сих пор считали ученые. И эти сведения важны, наряду с прочим, для миссии Европейского космического агентства ЕSA BepiColombo – первой европейской меркурианской миссии. «Солнечный ветер состоит из заряженных частиц, преимущественно из ионов водорода и гелия. Но определенную роль в общем процессе играют и более тяжелые атомы, вплоть до железа», - объясняет профессор Фридрих Аумайр из Института прикладной физики Технического университета Вены. Эти частицы попадают на поверхностный каменный слой со скоростью от 400 до 800 километров в секунду, и при этом они могут выбивать из нее многочисленные другие атомы.

Прежде чем опуститься после удара обратно на поверхность, эти частицы могут довольно высоко взлетать, вследствие чего вокруг Луны или Меркурия образуется «экзосфера» - чрезвычайно разреженная атмосфера из атомов, выбитых с каменной поверхности бомбардировками солнечными частицами. Эта экзосфера представляет собой чрезвычайный интерес для космических исследований, так как из ее состава можно сделать вывод о химическом составе каменной поверхности. Причем произвести анализ экзосферы намного проще, чем отправлять и садить на планету самоходных роботов-исследователей.

В октябре 2018 года ESA отправит к Меркурию зонд BepiColombo, в задачу которого входит получение из экзосферы информации о геологических и химических свойствах этой планеты. Но для этого необходимо четко и точно понимать воздействия солнечного ветра на камень планеты. И именно на это было направлено проведенное исследование, задачей которого было закрыть имевшиеся до сих пор пробелы в знаниях. Для этого в Техническом университете Вены было подробно изучено действие ионного обстрела на волластонит – типичный лунный минерал.

«До сих пор наука исходила из того, что в первую очередь первая линия энергии движения быстрых частиц была ответственна за то, что каменная поверхность превращалась в атомарную пыль», - говорит Пауль Шабо, докторант из команды Аумайра. - «Но это лишь половина правды: мы смогли показать, что решающую роль в этом играет электрический заряд частиц. Именно этот заряд и является причиной того, что частицы причиняют поверхности значительно больший ущерб, чем думали до сих пор».

Если же частицы солнечного ветра имеют комбинированный заряд, то есть если у них отсутствует несколько электронов, то они несут в себе значительно большее количество энергии, которая при ударе молниеносно высвобождается. «Если не принимать этого во внимание, то оценка воздействия солнечного ветра на различные каменные породы окажется совершенно неправильной», - считает Шабо. А это значит, что на основе неправильной модели, построенной на данных состава экзосферы, невозможно сделать точные выводы о составе поверхностных каменных пород.

Значительно большую часть солнечного ветра образуют протоны, по причине чего до сих пор специалисты считали, что они и наносят камню наибольший ущерб. Но, как оказалось, в действительности главную роль здесь играет гелий, ибо он по сравнению с протонами может быть позитивно заряжен практически двое сильнее. Не следует при этом недооценивать и роль тяжелых ионов с еще большими электрическими зарядами.

Для анализа этой информации понадобилась кооперация различных исследовательских групп: высокоточные измерения осуществлялись при помощи специально разработанных для этой цели в Института прикладной физики микровесов. Венской научной группой VSC-3 было осуществлено детальнейшее компьютерное моделирование, цель которого – обеспечение возможности правильного толкования результатов. Соответствующие компьютерные коды изначально разрабатывались для исследований ядерного синтеза – ведь и там частицы, ударяющиеся с высокой энергий о поверхность, играют важнейшую роль.