Эхолот для Венеры: радионаблюдения позволяют изучать внутреннее строение и вращение небесных тел

Используя наземные радиолокационные наблюдения за Венерой 2006—2020 годов, астрономы смогли оценить наклон и прецессию оси её вращения, колебания продолжительности венерианских суток и момент инерции. По этим данным оказалось возможным сделать выводы о внутреннем строении планеты. Так, ядро Венеры по размерам может быть примерно равным земному, занимая около 60% по радиусу.

Венера — ближайшая к Земле планета, наиболее схожая с ней по массе, радиусу и плотности. Но многие её характеристики до сих пор неизвестны. В частности, неизвестен размер и состав её ядра (находится ли оно в твёрдом или частично в жидком состоянии, как ядро Земли). Также противоречивы оценки длительности венерианских суток и других параметров вращения.

Один оборот вокруг оси Венера совершает за 243 дня, но её атмосфере для этого необходимо всего 4 дня. Разница температур в различных частях планеты вызывает возмущения в её атмосфере, которые влияют и на скорость вращения. Поэтому продолжительность венерианских суток может меняться при изменении альбедо, эксцентриситета орбиты, инсоляции, климата и условий в атмосфере. Венера отличается от других планет тем, что она вращается в обратном направлении по отношению к движению вокруг Солнца. Сейсмологические исследования на Земле, Луне и Марсе (см. статью о сейсмологии Марса по данным единственной марсианской сейсмической станции Insight) дают картину внутреннего строения небесного тела, но о подобных исследованиях на Венере пока что речи не идёт. Из-за высокого давления 90 атмосфер и температуры 460˚C время работы всех венерианских спускаемых аппаратов ограничивалось несколькими десятками минут до их выхода из строя.

Для исследования параметров вращения Венеры использовали радиолокационные наблюдения. Монохромный сигнал с радиоантенн комплекса Goldstone Solar System Radar в Калифорнии отправлялся в сторону небесного тела, а отражённый сигнал принимался на телескопы Goldstone и Green Bank, расположенные на западной и восточной стороне североамериканского континента. Отражённые сигналы содержат спеклы — зернистую структуру из-за интерференции отражённых волн. Спеклы радиолокации образуются при рассеянии сигнала элементами рельефа на поверхности планеты и, таким образом, привязаны к суточному вращению Венеры.

Спеклы при астрономических наблюдениях считаются помехами; так, при фотографировании звёзд с Земли, особенно с любительских телескопов, они приводят к размыванию картинки из-за рассеяния луча в атмосфере. С другой стороны они могут нести дополнительную информацию, в данном случае — о структуре рассеивающей поверхности на Венере, то есть о рельефе (это направление анализа искажённых изображений называется спекл-интерферометрией). Сигнал приходит на обсерваторию Green Bank в Западной Вирджинии с задержкой около 20 секунд после его приёма на антенне Goldstone и, очевидно, оба «чистых» сигнала должны быть копиями друг друга. Кросс-корреляция сигналов на двух радиотелескопах позволяет избавиться от артефактов и выделить спеклы, отвечающие элементам поверхности. По точной задержке прихода отражённого сигнала между двумя обсерваториями можно установить период обращения Венеры.

Всего за период наблюдений с 2006 по 2020 астрономы выполнили 121 попытку радиолокационных измерений с посылкой на Венеру и приёмом отражённого радиосигнала в моменты благоприятного расположения планет. Окно наблюдений в каждом сеансе составляло около 30 секунд. Только 21 из замеров оказались удачными — в нужный момент сработали все компоненты измерительной схемы на обоих телескопах, сигнал не был потерян ни на одном из них и т.д. Такой статистики оказалось достаточно, чтобы отследить незначительные изменения элементов вращения Венеры и по этой информации сделать выводы про её внутреннюю структуру. Результаты 15-летних наблюдений за Венерой исследовательской группы Калифорнийского университета опубликованы в мае 2021 года в Nature Astronomy.

Наклон оси вращения Венеры по отношению к её орбитальной плоскости определяют в 2,6362 градуса. Здесь речь идёт об увеличении точности в 10 раз по сравнению с предыдущими оценками за счёт сочетания результатов наблюдений за много лет и использования двух разнесённых телескопов как базы измерений. Астрономы рассчитали и прецессию планеты, то есть медленное смещение её оси вращения. У Венеры период прецессии составляет 29 тысяч лет — немного больше по сравнению с Землёй, ось вращения которой (положение северного полюса мира на небесной сфере) делает полный оборот за 26 тысяч лет. Также по сдвигу момента прихода сигнала между обсерваториями удалось проследить изменения скорости вращения Венеры со временем. Средний период обращения Венеры вокруг оси составляет 243,02 дня, и на протяжении наблюдений он изменялся в пределах 20 минут. Такие изменения зависят не только от атмосферы Венеры, но также от размера и состава (плотности) её ядра, то есть распределения массы вещества между внешними слоями планеты и ядром, или момента инерции небесного тела. Нетривиальным результатом радиолокационных наблюдений за поверхностью стало и уточнение момента инерции Венеры исходя из наклона и скорости прецессии оси, что позволяет сделать вывод о её внутренней структуре.

По этим данным оказалось возможным оценить радиус ядра Венеры в 3500 километров (58% полного радиуса). Плотность мантии (слоя вещества над ядром) составляет 4000 кг/м³. У Земли радиус ядра 3480 километров, а плотность мантии — 4400 кг/м³. Однако такие расчёты являются модельными и не учитывают ряд неизвестных. Для оценок, за неимением лучшего, используется двухслойная модель внутреннего строения — ядро и мантия с однородным распределением плотности в каждом слое. Очевидно, это сильное упрощение: плотность горных пород внутри планеты сильно изменяется с глубиной из-за давления верхних слоёв. Поэтому неопределённость размеров ядра астрофизики оценивают в ±500 км — достаточно грубая оценка по сравнению с размерами планеты, но пока лучшего способа рассмотреть Венеру изнутри нет. Так же, как для Марса, пока неясно, как изменяется плотность пород с глубиной и содержит ли ядро жидкую компоненту. Радарные измерения по такому же принципу планируют провести для спутников планет-гигантов, в частности, для спутников Юпитера Европы и Ганимеда. Детальное изучение вращения Европы может ответить на вопрос о давно предполагаемом существовании жидкого океана под её ледяным покровом.