Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 38 – vyšlo 20. září, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

38/2004

Magnetický prach na Marsu

Jan Pašek

Podle posledních zpráv ze Spiritu, výzkumného vozítka na Marsu, které zde přistálo v lednu 2004, je téměř veškerý prach na Marsu magnetický. Spirit zkoumal skálu v kráteru Gusev, kde našel silně magnetické minerály, zejména oxid železa Fe₃O₄ neboli magnetit.

Mars Exploration – mise NASA k Marsu s dvěma sondami, které byly vypuštěny ve dnech 10. 6. 2003 a 7. 7. 2003. Obě sondy obsahují orbitální modul a přistávací modul s výzkumným vozítkem (roverem). Modul Spirit úspěšně přistál na povrchu Marsu dne 3. 1. 2004, modul Opportunity přistál na opačné straně Marsu 24. 1. 2004. RAT (Rock Abrasion Tool) – nástroj pro broušení povrchu skal umístěný na výzkumném vozítku (roveru). Pomocí dvou diamantových řezáků lze obrousit materiál skály v oblasti o průměru 45 mm do hloubky 5 mm. Brusná hlavice má rychlost 3 000 otáček za minutu a broušení trvá několik hodin. Sol – marťanský den, je o 39 minut delší než den pozemský. U vozítek Spirit a Opportunity mise Mars Exploration se marťanské Soly začaly počítat v okamžiku přistání Spiritu. Mössbauerův jev – za normálních podmínek dojde při emisi gama kvanta k zpětnému odrazu atomového jádra. Podle velikosti zpětného rázu se mění vlnová délka emitovaného záření. Mössbauer zjistil, že při nízkých teplotách se jádro stává součástí krystalové mříže krystalu a ten absorbuje energii zpětného rázu a emitovaná vlnová délka je proto přesně definovaná. Jev objevil německý fyzik Rudolf Ludwig Mössbauer narozený v roce 1929, který za tento objev získal v roce 1961 Nobelovu cenu. Mössbauerova spektroskopie – rezonanční spektroskopická technika. Na vzorek dopadá svazek gama fotonů a detektor sleduje intenzitu prošlého nebo odraženého paprsku v závislosti na energii gama svazku, která se mění v úzkém rozsahu pohybem zdroje pomocí lineárního motoru. Dopplerův jev pak způsobí změnu energie dopadajících fotonů. Svazek gama musí mít energii odpovídající jaderným přechodům zkoumaného vzorku. Metoda je vhodná především pro Fe 57, Co 57, In 129, Sn 119 a Sb 121. Gradient pole – změna pole se vzdáleností, někdy hovoříme o spádu pole.

Magnetická výbava vozítek

Vozítko Spirit a jeho společník Opportunity, které přistály na protějších stranách Marsu na začátku roku 2004, mají ve výbavě tři druhy magnetických souprav pro sběr magnetického prachu ze vzduchu a z povrchu skal: sběrný magnet, 4 RAT magnety, které jsou součástí nástroje pro broušení povrchu skal a zachytávací a filtrační magnet.

1 – sběrný magnet (šipka), 2 – RAT magnety, 3 – zachytávací a filtrační magnet,
PANCAM – panoramatický fotoaparát. Podle materiálů NASA.

Kráter Gusev, ve kterém se nachází vozítko Spirit. Fotografie byla pořízena
5 marťanských dnů (Solů) po přistání.

Sběrný magnet

je prstencový magnet zmagnetovaný podél osy. Prstýnek magnetu je vysoký 5 mm, vnitřní průměr je 2 mm, vnější 4,5 mm. Magnet je vyroben z Sm₂Co₁₇, pole magnetu je 0,42 T a jeho gradient 450 T/m. Větrem unášené částice jsou zachyceny na tenké hliníkové krytce magnetu. Nemagnetické prachové částice usedají na celou plochu krytky, magnetické jen v prstenci nad magnetem. Z výsledného obrazce je možné odhadnou poměr magnetických a nemagnetických částic v atmosféře Marsu. Výsledek "sběru" je fotografován panoramatickým fotoaparátem. V experimentu prach z atmosféry sedá zejména v blízkosti prstence magnetu a ukazuje se tak, že naprostá většina prachu na Marsu je magnetická.

Nalevo: žlutou šipkou je označen sběrný magnet. Červený kroužek je nachytaný magnetický prach. Snímek byl pořízen v kráteru Gusev pro marťanský den Sol 14. Napravo: snímek pro marťanský den Sol 206, opět kráter Gusev. Snímek je ovšem pořízen přes modrý filtr na vlnové délce 430 nm. Je patrné, že nasbíraného prachu je větší množství. Z obou snímků je zřejmé, že veškerý prach je magnetický, celoplošně dopadlého prachu je minimum. Nalevo od magnetu jsou sluneční minihodiny s nápisem "TWO WORLDS – ONE SUN – MARS 2004", které současně slouží jako kalibrační terčík pro panoramatický fotoaparát. Zdroj: NASA/JPL/Cornell.

RAT magnety

jsou umístěny uvnitř nástroje pro broušení skal RAT (Rock Abrasion Tool). Toto zařízení používá dva brusné nástroje k odstranění zvětralého povrchu marťanských skal, aby mohl být použit k analýze pomocí zabudovaných přístrojů. RAT odstraní zvětraliny ve skále v oblasti o průměru 45 mm, do hloubky přibližně 5 mm. Uvnitř RAT jsou umístěny 4 malé magnety, které přitahují obroušený magnetický materiál. Magnetická indukce jednotlivých magnetků je různá a pokrývá rozsah 0,07÷0,28 T, gradient pole rozsah 80÷350 T/m. Z obrázků ulpění prachu na čtyřech různě silných RAT magnetech lze odhadnout magnetizaci obroušeného materiálu.

RAT – nástroj pro broušení skal. Dole je patrná skála před a po obroušení. NASA.

Zachytávací a filtrační magnet

Jde o dvojici kruhových magnetů umístěných přímo pod panoramatickým fotoaparátem. Prach sedá na dvě kruhové hliníkové destičky, každá o průměru 45 mm. Vlastní magneticky aktivní oblast tvoří centrální část s průměrem 25 mm. Zachytávací magnet má pole 0,46 T s gradientem 550 T/m. Slabší filtrační magnet má pole jen 0,2 T s gradientem 34 T/m a zachytí jen částice s vysokou hodnotou magnetické susceptibility. Povrch obou magnetů je v dosahu panoramatického fotoaparátu, u zachyceného prachu je pořízeno Mössbauerovo spektrum, spektrum v RTG oboru pomocí alfa částicového spektrometru a podrobné fotografie mikroskopickým fotoaparátem.

Fotografie zachytávacího (nalevo) a filtračního (napravo) magnetu (Sol 151)
pořízená mikroskopickým fotoaparátem. Zdroj: NASA/JPL/Cornell.

Zařízení využívaná k výzkumu magnetického prachu

Magnetický prach zachycený ve třech magnetických soupravách umístěných na výzkumných vozítcích Spirit a Opportunity je fotografován a analyzován těmito přístroji:

Panoramatický fotoaparát (PANCAM)

je základní fotoaparát výzkumného vozítka určený k fotografování širokého okolí. V jeho dosahu je i sběrný magnet umístěný v blízkosti slunečních hodin a  zachytávací a filtrační magnet umístěný přímo pod fotoaparátem. Fotoaparát má CCD čip 1024×1024 v rozsahu vlnových délek 400÷1100 nm. Expozici lze provést pomocí 14 barevných filtrů a lze tak pořídit i jednoduché spektrum materiálu v odraženém světle.

Mikroskopický fotoaparát (MI)

je druhý z fotoaparátů výzkumného vozítka. Jde o kombinaci mikroskopu a fotoaparátu s CCD čipem 1024×1024. Fotoaparát slouží k detailnímu výzkumu textury skal. Je možné s ním fotografovat i prach ulpěný na sběrném, zachytávacím a filtračním magnetu. Fotoaparát je umístěn na pohyblivém robotickém rameni, takže je možné ho k vzorkům natočit a přiblížit.

Mössbauerův spetrometr (MS)

je umístěn na pohyblivém robotickém rameni. Senzor je přiložen k vzorku, vystaví ho působení gama kvant z radioaktivního zdroje Co 57. Spektrum je pořízeno ze zpětného rozptylu (zdroj i detektor je na stejné straně vzorku) těchto fotonů na jádrech Fe 57 a je charakteristické pro různé minerály obsahující železo. Poskytuje informace o oxidačním stupni železa a jeho rozložení v materiálu. Pořízení spektra trvá 12 hodin.

RTG a alfa částicový spektrometr (APXS)

je umístěn na pohyblivém robotickém rameni. Má zdroj alfa částic a detektor RTG záření a alfa částic. Pomocí spektrometru je možné určit chemické složení skal s výjimkou vodíku. Pořízení jednoho spektra trvá 10 hodin.

Schéma RTG a alfa částicového spektrometru APXS.

Současné výsledky

Při všech měřeních se ukázalo, že naprostá většina prachu na Marsu je magnetická. Musí jít o celoplanetární jev, jelikož obdobná data byla naměřena jak na vozítku Spirit, tak na vozítku Opportunity, které je na opačné straně planety. Nalezen byl zejména magnetit Fe₃O₄ a maghemit α–Fe₂O₃, které mají nižší koeficient odrazu a jeví se jako tmavé. Dále byl nalezen výrazně červený hematit γ–Fe₂O₃. Výsledky ze Spiritu byly získány v kráteru Gusev ležícím 15° stupňů jižně od rovníku, který kdysi mohl být vodou naplněným jezerem.

Dánská, německá a americká skupina vědců nyní doufá, že získá chemické a mineralogické informace z prachové sbírky pomocí RTG a alfa částicového spektrometru a z pořizovaných Mössbauerových spekter. Věří, že po této výpravě budou schopni odpovědět na otázku, proč je prach na Marsu magnetický.

Jestliže bude veškerý vzdušný prach magnetický, bude možné při dalších misích na Mars použít magnety jako protiprachový štít pro udržení čistoty povrchu výzkumných sond, popřípadě magnety pomůžou k ochraně případných astronautů. Vědci doufají, že při dalším studiu magnetického prachu zjistí, jak se voda, vulkanická aktivita a eroze podílely na změně povrchu Marsu.

Mössbauerovo spektrum pořízené vozítkem Spirit v kráteru Gusev, Sol 18.
Naměřená data nejvíce odpovídají olivínu. Podle materiálů NASA.

Odkazy