Ядерная планетология

Отдел ядерной планетологии» был создан 3 марта 2014 г. на базе самостоятельной лаборатории космической гамма-спектроскопии, которая была сформирована в августе 1992 г. из самостоятельной научной группы под руководством И.Г. Митрофанова. В свою очередь, решение о создании этой группы было принято в 1984 г. заведующим отделом внеатмосферной астрономии членом-корреспондентом АН СССР Иосифом Самуиловичем Шкловским (1916–1985).

Отдел И.С. Шкловского объединял около полутора десятка лабораторий, тематика которых покрывала практически все спектральные диапазоны электромагнитного излучения — от радиоволн до рентгеновского и гамма-излучения. В отделе также был сектор теоретической астрофизики, сотрудники которого успешно занимались вопросами космологии, гравитации и физики элементарных частиц.

Характер «внеатмосферных» исследований отдела Шкловского требовал научных экспериментов на борту космических аппаратов, при том что конкуренция за место под «космическим Солнцем» тогда была достаточно высока, а приоритет в 1970–1980-е гг. отдавался исследованиям Венеры и Марса. С другой стороны, самой горячей областью астрофизики тех лет были космические гамма-всплески, в спектрах которых группой ленинградского астрофизика Евгения Павловича Мазеца были обнаружены спектральные линии циклотронного и аннигиляционного излучения. Поэтому, когда старший научный сотрудник отдела № 3 И. Г. Митрофанов обратился к Иосифу Самуиловичу с предложением провести для проверки результатов Мазеца космический эксперимент по гамма-спектроскопии космических всплесков, изобретательный Доктор (так звали И.С. его ученики) уговорил директора Института академика Р.З. Сагдеева дополнить на борту марсианских аппаратов «Фобос-1» и «Фобос-2» прибор ГС-14 (руководитель — профессор Ю.А. Сурков, Институт геохимии и аналитической химии им. В. А. Вернадского АН СССР) для регистрации гамма-излучения Марса небольшим блоком ВГС (всплесковый гамма-спектрометр) для попутного изучения гамма-всплесков. Поскольку Митрофанов был физиком-теоретиком и не имел опыта создания лётной аппаратуры, блок ВГС, по замыслу Доктора, должны были разработать французы — традиционные партнёры ИКИ в космосе.

Достаточно скоро стало понятно, что всплесковый прибор ВГС также можно использовать для регистрации марсианских гамма-лучей во время пролёта вблизи Красной планеты, чтобы повысить пространственное разрешение при измерении гамма-лучей от марсианской поверхности. Так в 1984 г. в ИКИ появилась группа Митрофанова, работающая в областях спектроскопии космического гамма-излучения и «ядерной планетологии». А спустя пять лет, в феврале 1989 г., эта группа в составе советско-французского коллектива эксперимента APEX (Astrophysical Planetological EXperiment) с приборами ГС-14 и ВГС впервые зарегистрировала и исследовала собственное гамма-излучение Марса.

Сегодня отдел проводит шесть космических научных экспериментов: на околоземной орбите («БТН-Нейтрон», российский сегмент МКС), на окололунной орбите (ЛЕНД, проект NASA LRO — «Лунный орбитальный зонд», ЛРО), на околомарсианской орбите (ХЕНД, проект NASA Mars Odyssey; ФРЕНД, миссия «ЭкзоМарс-2016») и на поверхности Марса (ДАН, проект NASA «Кьюриосити»), а также на борту меркурианской автоматической межпланетной станции (МГНС, проект ESA «БепиКоломбо»), находящейся на пути к Меркурию после запуска в октябре 2018 г.

Главные результаты связаны с исследованиями поверхности планет: Марса и Луны — и поисками воды в верхнем слое их грунта. Благодаря прибору ХЕНД в начале 2000-х годов была открыта значительная массовая доля воды в верхнем слое поверхности Марса на экваториальных и умеренных широтах и обнаружены обширные области вечной мерзлоты выше 60° северной и южной широт. На основе этих результатов сформировались современные представления о природных условиях на Марсе, была построена модель его эволюции в прошлом.

Данные прибора ХЕНД за 9 марсианских лет непрерывных измерений нейтронного излучения Марса с орбиты позволили построить профили зимних конденсаций атмосферной углекислоты для южного и северного полушарий планеты и уточнить годовую модель сезонных вариаций этой планеты. С 2016 года началась совместная работа ХЕНД и прибора ФРЕНД (миссия «ЭкзоМарс-2016»), благодаря этому были обнаружены локальные районы с очень высоким содержанием воды, которые вероятно являются «оазисами» марсианской вечной мерзлоты.

Нейтронный телескоп ЛЕНД, отправленный к Луне в 2009 году на борту аппарата LRO (NASA) обнаружил области с повышенным содержанием водорода в приповерхностном слое грунта. То, что это именно водяной лёд, подтвердил активный эксперимент LCROSS (NASA). Сейчас по данным ЛЕНД созданы карты распределения водяного льда в грунте Луны, на основании которых выбираются районы посадки будущих лунных миссий.

Активный эксперимент ДАН на борту марсохода Curiosity (NASA) позволяют оценивать содержание воды и хлора в подповерхностном слое грунта вдоль трассы движения марсохода внутри кратера Гейл. Эти исследования планируется продолжить с помощью прибора АДРОН в ходе миссии «ЭкзоМарс-2022».

Кроме этого, приборы, созданные в отделе, ведут практически непрерывный мониторинг нейтронной компоненты радиационного фона в различных областях Солнечной системы и регистрируют космологические гамма-всплески: прибор ХЕНД — часть международной сети наблюдений гамма-всплесков IPN, InterPlanetary Network.