ساعت ۷ و ۲۶ دقیقه شامگاه پنجشنبه، دهم اردیبهشت‌ماه به وقت گرینویچ بود که مأموریت ۴۵۰ میلیون‌دلاری پویش «سطح، فضای پیرامونی، ژئوشیمی، و مساحی [سیاره] عطارد» (اختصاراً MeSSENGeR) پس از گذشت یازده سال از ترک زمین، و چهار سال از استقرار در مدار عطارد، عاقبت خاتمه یافت.
مسنجر نخستین فضاپیمایی بود که رهسپار مدار درونی‌ترین سیاره منظومه‌مان می‌شد و دشوار نخواهد بود حدس دستاوردهایی که طی مأموریت خود به ارمغان آورد. در این مقاله نگاهی دارم به دشواری‌های ارسال کاوشگری به عطارد، و اهمیت کنکاش در این «کسل‌کننده‌ترین» سیاره منظومه شمسی.
بشر تاکنون دو دفعه به ملاقات با سیاره عطارد رفته؛ یک‌بار در جریان مأموریت «مارینر ۱۰» ناسا، که این فضاپیما طی سه فاز (از مارس ۱۹۷۴ تا مارس ۱۹۷۵) از کنار این سیاره گذشت، و بار دوم نیز حضور مستمر و پربازده مسنجر در مدار عطارد از سال ۲۰۱۱ تا هفته‌ای که سپری شد.
چنین آماری به مراتب از آمار بازدیدهای سایر سیارات سنگی منظومه شمسی (زهره و مریخ) کمتر است، و این برمی‌گردد به راه دشوار عطارد – کوچک‌ترین و از قضا نزدیک‌ترین سیاره به خورشید، که تقابل میدان گرانشی ضعیف آن با کشند گرانشی شدید خورشید، امکان حضور در مداری به گرد آن را منوط به یک «ترمز مداری» شدید، و لذا توسل به مقادیر قابل توجهی سوخت مازاد بر مایحتاج متعارف یک فضاپیمای بین‌سیاره‌ای می‌کند. از آنجاکه همین سوخت مازاد، هزینه‌های پرتاب فضاپیما را به‌‌‌نحو تصاعدی در نسبت با وزن محموله موشک حامل افزایش می‌دهد، گزینه ترمز مداری معمولاً در لیست انتخاب‌های مهندسین چنین مأموریت‌هایی جا ندارد، و در عوض از راهکار «مانور قلاب‌سنگ» استفاده می‌شود.
در جریان مانور قلاب‌سنگ، فضاپیما به جای آن‌که زمین را مستقیماً به مقصد سیاره هدف ترک کند، ابتدا رهسپار سیاره(های) دیگری می‌شود تا با گذر از کنار آن(ها)، سرعت مداری خود را بسته به موقعیت مقصد خود افزایش یا کاهش دهد. از آنجاکه مجموع انرژی جنبشی فضاپیما و سیاره ثابت است، و اختلاف چشمگیری هم بین جرم فضاپیما و سیاره وجود دارد، بروز هرگونه تفاوتی در انرژی مداری یک فضاپیما در نتیجه گذر از کنار سیاره، به شکل تغییر چشمگیر سرعت مداری فضاپیما نمود پیدا می‌کند.
فضاپیمای مسنجر به منظور کاهش سرعت مداری خود شش بار از این مانور استفاده کرد: یک دفعه گذر از کنار زمین در اوت ۲۰۰۵ (که به خلق فیلم کوتاه اما جذابی از سیاره‌مان زمین انجامید)، دو دفعه گذر از کنار سیاره زهره در اکتبر ۲۰۰۶ و ژوئیه ۲۰۰۷، و عاقبت سه دفعه گذر از کنار عطارد در ژانویه ۲۰۰۸ و سپتامبر ۲۰۰۹. این مانورها، سرعت اولیه مسنجر را از حدود ۱۰ کیلومتر و ۷۰۰ متر بر ثانیه (بالغ بر دو برابر سرعت فرار از مدار عطارد)، به ۱۷۷ متر بر ثانیه رساندند، که برای استقرار در مدار عطارد کفایت می‌کرد.
گذار سال ۲۰۰۵ مسنجر از زمین را ببینید:
گذشته از پیچیدگی‌های هدایت چنین مأموریتی، طراحی فضاپیمایی با هدف ملاقات با عطارد از فاصله‌ای نسبتاً نزدیک هم با چالش‌های قابل توجهی مواجه است. هر فضاپیمایی در آن فاصله، نور و گرمایی در حدود ۱۱ برابر همتایان خود در مدار زمین از جانب خورشید دریافت می‌کند، و به همین‌واسطه هم می‌بایستی به یک «سپر حرارتی» مجهز شود. سپر مسنجر، صفحه عایقی به طول دو و نیم متر و عرض دو متر، با یک اسکلت تیتانیومی و گوشته‌ای از جنس سرامیک‌های به‌کاررفته در عایق‌های حرارتی شاتل‌های فضایی بود، که چنانچه دمای یک طرفش به ۳۷۰ درجه سانتیگراد می‌رسید، دمای آن سمت سپر از ۲۰ درجه تجاوز نمی‌کرد. حاصل‌جمع تأثیر این سپر محافظ، لایه عایق موجود بر بدنه فضاپیما، و همچنین سامانه گرمایشی متشکل از رادیاتورهای خنک‌کننده، به مسنجر امکان داد تا در عین برخورداری از جرمی کمتر از ۱۱۰۰ کیلوگرم (به‌هنگام پرتاب از روی زمین)، به مدت چهار سال متوالی در مدار عطارد به استحصال داده‌هایی گرانبها بپردازد.
چرا عطارد؟
در وهله اول، این پرسش نیز همان جواب جامعی را می‌طلبد که غالباً در اشاره به پژوهش‌هایی از این دست داده می‌شود: این‌که تا کنجکاوی بشر ارضا شود. اما عطارد نه جو نسبتاً مساعد و سطح پرعارضه (و از آن مهم‌تر، کاریزمای دیرین) مریخ را دارد، نه آتشفشان‌های خاموش و متنوع و جو منحصربه‌فرد زهره را، و نه حتی همچون ماه ایستگاه مناسبی برای سفرهای بلندپروازانه و سرنشین‌دار بشر به شمار می‌رود. حتی تلسکوپ‌های بزرگ نور مرئی هم اغلب به‌واسطه نزدیکی بیش از حد عطارد به خورشید، از رصد مستقیم این سیاره محروم‌اند، و برخلاف زهره و مریخ و همچنین مشتری و زحل، عطارد را به ندرت می‌توان در آسمان‌های شهری و با چشم غیرمسلح مشاهده کرد. (ارتفاع زاویه‌ای این سیاره از خورشید، هرگز از ۲۸ درجه تجاوز نمی‌کند).
از حیث تحولات سطحی و زیرسطحی، گویا مدت‌هاست که عطارد تغییر چشمگیری را به خود ندیده، چراکه نسبت بالای مساحت به حجم این سیاره کوچک این‌طور اقتضاء می‌کند تا گرمای داخلی بازمانده از سنوات پیدایش آن به‌سرعت تلف شده باشد و دیگر رانه‌ای نه برای لایه‌گذاری مؤثر، و نه برای فعالیت‌های زیرسطحی آن باقی نماند. از طرفی میدان گرانشی ضعیف عطارد و نزدیکی به خورشید (و در نتیجه احتمال تأثیرپذیری بیشتر از بادهای خورشیدی)، امکان میزبانی این سیاره از یک جو قابل توجه را هم منتفی کرده، و در عوض امروزه ما در عطارد شاهد وجود یک «اگزوسفر» موقت هستیم که محصول: ۱) به دام افتادن موقت ذرات باد خورشیدی در میدان گرانشی عطارد، و ۲) واپاشی عناصر رادیواکتیو موجود در ترکیبات زیرسطحی سیاره (که به تولید عناصر ثانویه‌ای از قبیل هلیوم، سدیم و پتاسیم می‌انجامد) است. در یک کلام، عطارد را می‌توان سیاره‌ای کسل‌کننده پنداشت.
با این وجود، هرچقدر که عطارد در میزبانی از مؤلفه‌های اولیه‌ای نظیر یک جو سراسری یا فعالیت‌های زیرسطحی، خصوصیت ویژه‌ای را به نمایش نمی‌گذارد، همواره در زمینه مؤلفه‌های ثانویه، سیاره‌ای غیرمنتظره جلوه کرده است، و پیشینه این ویژگی هم به اواسط قرن هفدهم میلادی برمی‌گردد:
هرچند که شکل کلی مدار عطارد از زمان رصدهای گالیله معلوم شده بود و ظاهراً ویژگی برجسته‌ای را به نمایش نمی‌گذاشت، اما رصدهای پیاپی، از ناهمخوانی مشاهدات ستاره‌شناسان قرون بعدی با پیش‌بینی‌هایشان حکایت داشت. عطارد نهتنها به گرد خورشید می‌چرخید، بلکه راستای طولی مدار بیضوی آن نیز طی بازه‌ای طولانی‌تر، اما محسوس، در اطراف خورشید می‌چرخید (نگاه کنید به این انیمشین). اوربین له‌وریه، ریاضیدان و اخترشناس فرانسوی، که سابقاً از روی الگوی «رقص مداری» اورانوس، وجود و حتی جایگاه سیاره نپتون را با موفقیت پیش‌بینی کرده و بدین‌وسیله دقت مکانیک نیوتونی را در توضیح مدارات سیاره‌ای آشکارا به اثبات رسانده بود، از پی کشف رقص مداری عطارد، این پدیده را به وجود سیاره ناشناخته دیگری در حدفاصل عطارد و خورشید نسبت داد؛ سیاره‌ای که وی آن را پیشاپیش «وولکان» نامید.
اما ناکامی از کشف سیاره وولکان، رفته‌رفته به ناتوانی مکانیک نیوتونی در توضیح دینامیک مداری عطارد تعبیر شد؛ و عاقبت آلبرت اینشتین بود که با ارائه تئوری نسبیت عام، و تبیین الگوی غیرخطی توزیع نیروی گرانش در اطراف خورشید، موفق شد این پدیده را با دقتی مثال‌زدنی توضیح دهد. «انحرافات» کنجکاوی‌برانگیز عطارد از مدل‌‌‌های سیاره‌ای اما به همین مورد محدود نماند، و رفته‌رفته مشخص شد این سیاره در هر زمینه‌ای (از فعل و انفعالات مغناطیسی‌اش گرفته تا شیمی سطحی و تحولات جوی)، آنطور که باید عمل نمی‌کند و گویی همیشه رازی را درون خود دارد. در ادامه نگاهی دارم به پنج مورد از «انحرافات» عطارد از پیش‌بینی‌های سیاره‌شناسان، که به یمن یافته‌های مسنجر آشکار شده‌اند، اما توضیح ماهیت‌شان همچنان در حد گمانه‌زنی است.
۱) میدان مغناطیسی
وجود میدانهای مغناطیسی متمرکز و محدود در سیارات و قمرهایی که فاقد منابع گرمای داخلی‌اند (همچون ماه و مریخ)، امر شگفت‌آوری نیست؛ همچنان‌که توزیع شدت میدان مغناطیسی در سطح زمین هم، بسته به جنس کانی‌های سازنده پوسته، چه بسا در نواحی مختلف دچار اختلافاتی باشد. این میدانهای متمرکز، با القای الکتریکی ناشی از عبور بادهای خورشیدی موقتاً فعال می‌شوند، اما چیزی به اطلاعات‌مان از ساختار «کلی» آن سیاره یا قمر نمی‌افزایند.
در مقابل، میدانهای مغناطیسی سراسری (یا دوقطبی)، نظیر میدان مغناطیسی زمین، مشتری، یا خورشید (که به وجود آهن‌ربای غول‌آسایی درون این اجرام می‌مانند)، از: ۱) هسته مذابی از جنس مواد رسانا، و ۲) چرخش این سیارات، ناشی می‌شوند. میدانهای مغناطیسی سراسری، همچنین تحولات دوره‌ای و مقطعی چشمگیری را هم به نمایش می‌گذارند، که از آن جمله می‌توان به قبض و بسط حاصل از تغییر شدت بادهای خورشیدی، یا خلق «شفق‌های قطبی» در اطراف قطبین مغناطیسی سیاره میزبان‌شان اشاره کرد.
نزدیکی عطارد به خورشید، طبیعتاً امکان پیدایش میدانهای مغناطیسی متمرکز را در این سیاره قوت می‌بخشد؛ اما شگفت آن‌که این سیاره کوچک، که هر دفعه چرخش وضعی آن در حدود ۶۷ درصد یک سال این سیاره زمان می‌برد، و همچنین تصور می‌رود که گرمای داخلی‌اش را دیرزمانی از دست داده باشد و لذا هم‌اینک از هسته‌ای منجمد و خاموش میزبانی کند، واجد یک میدان مغناطیسی سراسری است. حتی سیاره زهره نیز، با ابعادی در حدود زمین، که گرمای داخلی قابل توجه آن سابقاً آتشفشان‌هایی چنان فعال را پدید آورده بوده که پوسته زهره را متناوباً «تجدید» می‌کرده‌اند، امروزه فاقد یک میدان مغناطیسی سراسری است.
مقاطع کوتاه عبور کاوشگر مارینر-۱۰ از کنار عطارد هرچند برای تشخیص وجود چنین میدان مغناطیسی ناخوانده‌ای کفایت می‌کرد، اما اطلاعات چندانی راجع به ساختار آن در اختیارمان نگذاشت. حال‌آنکه مطالعات مسنجر، از «انحرافات» حتی بیشتری در همان میدان غیرمنتظره خبر می‌داد: قطب جنوب مغناطیسی عطارد از قطب شمال مغناطیسی آن ضعیف‌تر است، و لذا بسامد برخورد ذرات باردار خورشیدی به سطوح متناظر با قطب جنوب مغناطیسی این سیاره – یا به عبارتی «فرسایش سطحی» در این نواحی – غلبه بیشتری دارد؛ و همین ویژگی، آن‌ها را یکی از عمده‌منابع تجدید جو موقت عطارد می‌کند.
۲) توزیع عناصر جوی
سابقاً اشاره شد که از جمله عوامل تجدید جو موقت عطارد، واپاشی عناصر رادیواکتیو نهفته در اعماق این سیاره (همچون سایر سیارات سنگی) است، که عمده‌محصولات آن را هلیوم، سدیم و منیزیم تشکیل می‌دهند (نگاه کنید به: عطارد، دُم دارد). سازوکار این واپاشی‌ها طبیعتاً تابع نیمه‌عمر عناصر رادیواکتیو، و مستقل از شرایط محیطی محل واپاشی، یا موقعیت مداری عطارد است.
اما محاسبات مسنجر حکایت از این داشته که الگوی توزیع عناصر جوی عطارد، به ازای موقعیت این سیاره نسبت به خورشید تفاوت می‌کند؛ به‌طوری‌که مثلاً مقادیر سدیم جوی محاسبه‌شده در جریان دو گذر اول مسنجر حین مانور قلاب‌سنگ از کنار عطارد، ۱۰ تا ۲۰ برابر مقادیر سدیم جوی محاسبه‌شده در جریان گذر سوم بود. این تحولات «فصلی» را گرچه می‌توان تابعی از الگوی تفاوت فشار تابشی خورشید در طول یک سال عطارد قلمداد کرد، اما تحول غیرخطی نسبت فراوانی عناصر جوی، می‌تواند ریشه در زنجیره‌ای دیگر از عوامل فیزیکوشیمایی کماکان ناشناخته داشته باشد.
۳) هسته
عطارد، با قطری در حدود ۴۸۸۰ کیلومتر، کوچک‌ترین سیاره منظومه شمسی، اما با چگالی ۴۳ / ۵ گرم بر سانتیمتر مکعب، پس از زمین، چگال‌ترین سیاره منظومه شمسی است. چنین چگالی بالایی دلالت بر وجود هسته‌ای در این سیاره می‌کند که در زمان گذر فضاپیمای مارینر-۱۰ تصور می‌رفت افزون بر ۶۰ درصد از جرم، و ۷۵ درصد از شعاع سیاره را به خود اختصاص داده است. اما مطالعات مسنجر، نه‌فقط ابعاد نسبی هسته عطارد را به ۸۵ درصد از شعاع عطارد افزایش داد (نسبتی بی‌سابقه در بین تمام سیارات منظومه شمسی)، بلکه حکایت از این هم می‌کرد که بخش‌هایی از این هسته غول‌آسا کماکان مذاب است (و لذا می‌تواند توضیحی برای میدان مغناطیسی ناخوانده این سیاره هم باشد). مسنجر همچنین مشخص ساخت که لایه‌ای از سولفید آهن نیز این هسته را دربرگرفته است.
۴) سطح
وفور عنصر گوگرد نهتنها در ترکیب غشای هسته عطارد، بلکه در ترکیبات سازنده سطح این سیاره هم مشاهده شده است؛ امری که عطارد را از این جنبه نیز سیاره‌ای استثنایی می‌کند – چراکه برخلاف شواهد ریخت‌شناختی اندک موجود از هرگونه فعالیت آتشفشانی سابق احتمالی در این سیاره (برخلاف مریخ، زهره، و حتی ماه)، چنین نسبت بالایی از حضور عنصر گوگرد در ترکیبات سطحی آن (که می‌تواند از جمله ناشی از فعالیت‌های آتشفشانی گسترده بوده باشد) در هیچ‌کدام از سیارات سنگی دیده نشده است. آیا سطح صاف و نسبتاً کم‌عارضه عطارد، از گذشته‌ای متلاطم و آشفته به میراث مانده است؟ و در این‌صورت، آتشفشان‌های آن امروزه کجایند؟
۵) یخ
برخلاف آنچه غالباً تصور می‌رود، یخآب در خارج از زمین ترکیب کمیابی نیست؛ ولو در نزدیک‌ترین سیاره به خورشید. از آنجاکه انحراف محور چرخشی عطارد نسبت به صفحه منظومه شمسی تقریباً صفر است، احتمال این وجود دارد که میلیون‌ها – یا چه بسا میلیاردها – سال باشد که نور آفتاب هنوز به قعر گودال‌هایی در قطبین این سیاره نرسیده باشد. به همین‌واسطه هم احتمال دوام یخ‌ها و مواد ارگانیک بازمانده از برخورد دنباله‌دارها به این سیاره در سنوات اولیه تشکیل منظومه شمسی، در این نواحی بیشتر است (همان‌طور که در قعر گودال‌های قطبی ماه هم به وجود چنین ذخایری پی برده‌ایم).
نقشه‌برداری‌های راداری سیاره‌شناسان در دهه ۱۹۹۰ حکایت از این می‌کرد که قعر گودال‌های قطبی عطارد، عوارض کمتر و سختی نسبتاً بیشتری دارند، و این می‌توانست حاکی از وجود پوششی از یخآب بر سطح این نواحی باشد. مشاهدات مسنجر، به‌وضوح این گمانه را به تأیید رساند (نگاه کنید به: رونمایی از چهره‌های جدید ماه و عطارد).
سیاره عطارد، علی‌رغم فقدان جذابیت‌های ظاهری و شهرت سیاراتی همچون مریخ و زهره، مجموعه‌ای از رازهای ژرف مرتبط به نحوه تشکیل منظومه شمسی را درون خود جا داده است. موقعیت مداری منحصربفرد این سیاره در نزدیکی به خورشید، از آن ایستگاه مطلوبی ساخته برای بررسی تأثیراتی که دانشمندان با پیگیری‌شان بر مدار، محیط، و سطح عطارد همچون پیمانه‌ای استاندارد، قادرند از حدود کارآمدی مدل‌هایی که به‌منظور تبیین خصوصیات مشترک سیارات سنگی تدوین شده‌اند، پرده برگرفته و بدین‌وسیله به استقبال مثال‌های نقض قابل توجهی بروند – که در این مقاله به‌اختصار از چند موردشان سخن گفتیم.
از همین‌رو هم بود که در سال ۲۰۱۲، و با پایان یافتن مدت‌زمان رسمی مأموریت مسنجر، تصمیم دانشمندان مبنی بر سه سال تمدید مأموریت این فضاپیما به‌ویژه به این خاطر از جانب مسئولین ناسا مورد موافقت واقع شد که مسنجر این مدت را وقف بررسی تأثیرپذیری عطارد از ورود خورشید به دوره‌های اوج فعالیت مغناطیسی‌اش – که از جمله با رشد بسامد وقوع بادهای خورشیدی همراه است – کرد.
در حال حاضر، سازمان فضایی اروپا (اسا) در نظر دارد تا در سال آینده میلادی، مأموریتی با همکاری سازمان فضایی ژاپن (ژاکسا) تحت عنوان «بپی‌کولومبو» را رهسپار عطارد کند، که در این‌صورت احتمالاً تا سال ۲۰۲۴ به این سیاره خواهد رسید. در این مدت، انبوه داده‌های خام ارسالی مسنجر، چه بسا همچنان به فهرست سؤالات کلیدی موجود در خصوص این کوچک‌ترین سیاره منظومه شمسی ما بیفزاید.
توضیحات تصاویر:
۲ – هلال عطارد، از دید فضاپیمای مسنجر / ناسا، دانشگاه جانز هاپکینز
۳ – تصویر توپوگرافیک (با رنگ‌آمیزی کاذب) ابزار MILA، مستقر بر کاوشگر مسنجر، از بخشی از سطح عطارد (پست‌ترین نواحی به رنگ ارغوانی، و بلندترین‌ها به رنگ قرمز نشان داده شده‌اند؛ که حداکثر اختلاف‌شان به ۱۰ کیلومتر می‌رسد). از جمله بارزترین عوارض سطحی عطارد، که در این تصویر هم واضحاً به چشم می‌خورد، چین‌خوردگی‌های متعدد پوسته (به‌ویژه نگاه کنید به نواحی آبی‌رنگ و سبزرنگ) است که همچون رگه‌هایی سطح سیاره را درنوردیده‌اند. تصور می‌رود این چین‌خوردگی‌ها حاصل از دست رفتن نسبتاً سریع گرمای داخلی سیاره، و لذا «ترک خوردن» پوسته بوده باشند (همان‌طور که تغییر دمای شدید، می‌تواند سطح یک شیشه را ترک بیاندازد) / ناسا، دانشگاه جانز هاپکینز.
۴ – تصویر راداری از دایره قطبی شمال عطارد، توسط رادیوتلسکوپ غول‌آسای آرسیبو در پورتوریکو. نواحی دارای بیشترین بازتابندگی راداری، با رنگ زرد مشخص شده‌اند، که جملگی در کف گودال‌های شهابسنگی واقع شده‌اند، و تصور می‌رود همان تجمعات یخی باشند.