Лаборатория нейтронной физики ОИЯИ вместе с исследователями из десятков научных центров мира более 15 лет назад включилась в международные проекты по изучению планет Солнечной системы.
В 1997 году специалисты Института космических исследований (ИКИ) РАН обратились в эту лабораторию Объединенного института ядерных исследований за помощью в создании детектора нейтронов для исследования Марса. Так появился прибор ХЕНД (HEND – High Energy Neutron Detector детектор нейтронов высоких энергий), который на борту автоматического аппарата Американского национального аэрокосмического агентства (NASA) «Марс Одиссей» в 2001 году отправился к красной планете и до сих пор успешно ведет ее исследование.
В феврале 2002 был получен первый яркий результат этого эксперимента: в приполярных районах планеты, под тонким слоем грунта прибор обнаружил вечную мерзлоту, богатую водяным льдом.
Эта находка оказала влияние на всю дальнейшую программу космических исследований Марса. Такие же интересные места с признаками воды и льда оказались и на экваторе Марса, в так называемой области Арабии. Именно сюда в 2012 году отправилась Марсианская научная лаборатория NASA (марсоход Кьюрьосити).
На марсоходе был установлен российский прибор ДАН (Динамическое альбедо нейтронов), в создании которого также участвовали специалисты ЛНФ. В состав прибора входят импульсный источник (генератор) нейтронов и приемник нейтронного излучения. Генератор выпускает в сторону марсианской поверхности короткие, но мощные импульсы нейтронов. Частицы проникают в грунт Марса, где взаимодействуют с ядрами основных породообразующих элементов. В ходе таких взаимодействий быстрые нейтроны замедляются и теряют свою энергию. Часть из них поглощается в грунте, а часть выходит обратно на поверхность, где и регистрируются приемником нейтронного излучения. На основании полученных данных прибор определяет глубину проникновения нейтронов и состав приповерхностного грунта.
К декабрю 2013 года ДАН произвел 120 измерений, результаты которых позволяют говорить о двуслойности марсианского грунта. У самой поверхности он сухой – содержание воды по массе не превышает 1%. Но на глубине до одного метра находится грунт с относительно высоким содержанием воды. Исследования, проводимые сегодня при помощи прибора ДАН, станут базой для экспедиции человека на Марс, которая планируется в ближайшие десятилетия.
Два лунных проекта NASA должны были изучить распространенность водяного льда в постоянно освещенных и постоянно затененных полярных районах Луны. В ИКИ РАН вместе с ЛНФ была разработана концепция нейтронного телескопа ЛЕНД. Его детекторы и электроника – это аналоги прибора ХЕНД, но в состав ЛЕНДа был добавлен нейтронный коллиматор (устройство, позволяющее получить параллельный пучок частиц), что делает возможным с высоты лунной орбиты в 50 км рассматривать на поверхности области с характерным размером 10 км.
После изучения в 2009 году прибором ЛЕНД на борту американского лунного спутника полярных затененных областей Луны выяснилось, что эти области вовсе не являются естественными ледяными кладовыми на Луне.
Меркурий – самая маленькая и одна из самых загадочных и малоизученных планет Солнечной системы. Расположенная очень близко к Солнцу, она видна лишь за час до его восхода или захода.
Конечно, за планетой мог бы понаблюдать орбитальный телескоп «Хаббл», но при этом слишком велик риск повредить его аппаратуру ионизирующими частицами солнечного ветра. Поэтому единственным способом изучения Меркурия остается запуск к нему космических исследовательских аппаратов.
Американские зонды дважды исследовали Меркурий – в середине 1970-х и в 2011 году. Старт новой экспедиции BepiColombo, организуемой Европейским космическим агентством, запланирован на 2015 год. Цель проекта – изучение планеты, картографирование элементного состава ее поверхности, изучение магнитосферы, создание мультиволновой карты поверхности. Для ее реализации в ЛНФ и создается «Меркурианский гамма и нейтронный спектрометр» (МГНС), включающей в себя гамма-спектрометр и нейтронный детектор.
В отличие от прибора ХЕНД, МГНС регистрирует не только нейтроны, но и гамма-лучи с поверхности планеты. Гамма-спектрометр представляет собой большой, почти в два килограмма весом, кристалл соединения лантана, современного сцинтилляционного материала. В американской миссии к Марсу, в которой участвовал детектор ХЕНД, использовался американский гамма-спектрометр, установленный на выносной штанге. В МГНС всё совмещено в одном корпусе.
Задача, стоящая перед МГНС, аналогична решаемой прибором ХЕНД: регистрировать характеристическое излучение с поверхности Меркурия, вызванное протонами космического излучения, попадающими на планете с сильно разреженной атмосферой прямо в грунт. В результате ядерных реакций появляются характеристические гамма-кванты, которые регистрируются гамма-спектрометром, и изменяется спектральный состав нейтронов, рождающихся в грунте. А если в грунте есть малейшие признаки водорода или водородсодержащих веществ, то есть воды и водяного льда, то нейтронный спектр очень сильно меняется. Именно на задачу поиска воды и водяного льда на Меркурии нацелены нейтронные счетчики.
Казалось бы, какой лед в такой близости от Солнца? Максимальная температура на солнечной поверхности Меркурия составляет 700 К (почти 430ºС). Однако в кратеры (их на Меркурии столько же, сколько на Луне), расположенные на полюсах, солнечные лучи не заглядывают вообще из-за отсутствия наклона орбиты планеты, и там вполне может сохраниться лед, занесенный кометами за все время существования Солнечной системы. Есть ли он там и что содержит, узнаем через год-другой...