Отдел физики планет и малых тел
Солнечной системы

Прибор ОМЕГА (OMEGA: Observatoire pour la Minéralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activité) представляет собой картирующий спектрометр видимого и ближнего ИК-диапазона, работающий в диапазоне 0.38-5.1 мкм. Сочетая построений изображений и спектрометрию, прибор позволяет исследовать минералогический и молекулярный состав поверхности и атмосферы Марса методом спектрального анализа рассеянного солнечного излучения и теплового излучения поверхности.

Прибор установлен на борту КА Mars-Express, который находится на орбите искусственного спутника Марса с декабря 2003 года. Научная фаза эксперимента OMEGA началась с января 2004 г., прибор продолжает функционировать и в настоящее время.

Научными руководителями с российской стороны являются д.ф.-м.н. Л.В. Засова (исследование атмосферы Марса, лаб. 531) и к.ф.-м.н. Р.О. Кузьмин (исследование гидратированных минералов, лаб. 534 ИКИ РАН, ГЕОХИ).

Прибор ОМЕГА [1] состоит из двух соосных спектральных каналов работающих в диапазонах 0.38-1.05 мкм (видимый и ближний ИК канал: ВБИК) и 0.93-5.1 мкм (коротковолнового ИК-диапазона: КВИК). Получаемые данные состоят из трехмерных (x, y, λ) «спектро-кубов», в которых две размерности соответствуют изображению поверхности, а третья – спектру.

В канале видимого и ближнего ИК-диапазона (ВБИК) в качестве детектора использована матрица ПЗС (Прибор с зарядовой связью). Одна координата матрицы используется для разложения в спектр, а вторая – для создания одномерного изображения в направлении перпендикулярном горизонтальной скорости КА. Вторая координата изображения получается при горизонтальном движении КА (метод «pushbroom»). Поле зрения поперек скорости движения составляет 8.8°, что соответствует высоте щели спектрометра канала КВИК в фокальной плоскости телескопа.

Канал ближнего ИК-излучения (КВИК) использует другой метод построения изображения. В каждый момент времени один элемент изображения поверхности планеты (пиксел) фокусируется на щели прибора, и затем коллимируется. Далее световой пучок делится между двумя спектрометрами. В обоих спектрометрах используются линейные ИК детекторы из InSb по 128 элементов. Один из детекторов работает в диапазоне 0.93-2.73 мкм, а второй – в диапазоне 2.55-5.1 мкм. Для создания изображения поверхности сканирующее зеркало поворачивает мгновенное поле зрения прибора в направлении, перпендикулярном движению КА, позволяя получить перекрытие шириной 16-128 пикселов. Максимальная ширина (128 пикс.) соответствует полю зрения 8.8°, как и в канале ВБИК. Аналогично, вторая пространственная координата развертки обеспечивается движением КА по орбите. Построение изображение происходит, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Принцип построения изображения в канале ИК-излучения прибора ОМЕГА

Каждый из детекторов ИК-канала охлаждается до температуры 70 K специальным охладителем замкнутого цикла, работающим по принципу Стирлинга. Температура корпуса спектрометра поддерживается на уровне около 190 K с помощью пассивного радиатора. Время накопления в ИК канале ограничено горизонтальной скоростью движения КА, и составляет от 2.5 до 5 мс. Время накопления в видимом канале может быть больше: 50-200 мс, в зависимости от высоты КА. При таких временах накопления во всем спектральном диапазоне обеспечивается отношение сигнал/шум более 100.

Оптическая схема инфракрасного спектрометра приведена на рис. 2.

Рис. 2. Оптическая схема инфракрасного спектрометра

На входе спектрометра установлен телескоп системы Кассегрена (1) с фокусным расстоянием главного зеркала: F = 200 мм и апертурой D = f/4, IFOV~4'. Излучение, собранное телескопом, фокусируется на входную щель шириной 800 мкм (2), затем подается на коллиматор, который представляет собой внеосевое параболическое зеркало радиусом R = 192.85 мкм и смещением dx = 37.14 мкм (3) и далее фокусируется на делителе (4) и дифракционной решетке. Делитель (4) разводит общий поток на два: коротковолновый (С) и длинноволновый (L), обеспечивая разделение наблюдаемого излучения на два спектральных диапазона. Пучок L проходит сквозь дихроичный фильтр (4), а пучок C отражается от него. Зеркало (5) направляет пучок С на плоскую отражающую решетку (6), которая содержит 180 штрихов/мм и работает только в первом порядке дифракции. Далее, излучение поступает на сферические (с радиусом кривизны R = 378.49 мм) собирающие зеркала (7), которые формируют дифрагированное изображение щели за пределами сферических зеркал поля (8), которые, в свою очередь, переносят изображение в объективы (9), каждый из которых представляет собой сборку из четырех сферических линз из ZnSe. Объективы проецируют изображение на детекторы (11) – 128-элементные линейки InSb с размером пиксела 90x120 мкм – через пакеты интерференционных фильтров (10), отсекающих дальние порядки дифракции.

Аппаратура ОМЕГА состоит из двух отдельных блоков соединенных кабелями массой 0.7 кг:

• Оптический блок, или Блок камеры, включает ВБИК и КВИК спектрометры, и их электронику. Все блоки смонтированы на общей базовой плите. Масса блока 23.5 кг, его размеры 290x180x150 мм.
• Блок электроники для обработки данных и общего управления прибором. Его масса составляет 4.6 кг.

Прибор ОМЕГА потребляет 27.4 Вт в течение ~2 часов для охлаждения детекторов, и 47.6 Вт во время проведения измерений. ОМЕГА – единственный прибор проекта «Марс-Экспресс», в котором была действительно использована аппаратура (запасной прибор), изготовленный для проекта «Марс-96». Была заменена лишь устаревшая электроника прибора.

Рис. 3. Внешний вид летной модели прибора ОМЕГА для проекта «Марс-Экспресс». На переднем плане – блок входной оптики, включающий сканер прибора.
Блок входной оптики изготовлен в ИКИ РАН

Прибор ОМЕГА предназначен для решения следующих научных задач:

• картирование спектральных деталей, характеризующих минеральный состав поверхностного слоя Марса;
• идентификация изверженных и осадочных пород, конденсатов и льдов на поверхности;
• картирование спектральных деталей, принадлежащих атмосферным газам и аэрозолям.

Прибор ОМЕГА разработан и изготовлен в следующей кооперации: Институт космической астрофизики Национального Центра научных исследований (Франция), Институт физики межпланетной среды Национального Центра научных исследований (Италия) и ИКИ РАН. Головным институтом в кооперации является Институт космической астрофизики, он отвечает за интеграцию и поставку прибора на космический аппарат. Научный руководитель эксперимента – Ж. П. Бибринг. Итальянский Институт физики межпланетной среды поставил спектрометр видимого и ближнего ИК диапазона. Российская сторона (ИКИ РАН) изготовила и поставила сканирующее устройство, обеспечивающее работу ИК канала прибора (рис. 3), и весь блок входной оптики прибора. Телескоп прибора, работающего сейчас на орбите Марса также изготовлен в России, еще для проекта «Марс-96».

Прибор OMEGA предназначен в первую очередь для надирных наблюдений, но также позволяет работать с разными режимами, включая лимбовые. В спектрометр поступает солнечное излучение отраженное марсианской поверхностью и дважды прошедшее сквозь слой атмосферы.

Ссылки:

[1] Bibring J.–P., Soufflot A., Berthe M ., et al. OMEGA: Observatoire pour la Mineralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activite // ESA SP-1240. 2004a. P. 3-16

Список публикаций российских участников:

1. Bibring, Jean-Pierre; Langevin, Yves; Gendrin, Aline; Gondet, Brigitte; Poulet, François; Berthé, Michel; Soufflot, Alain; Arvidson, Ray; Mangold, Nicolas; Mustard, John; Drossart, P.; OMEGA Team; Erard, Stéphane; Forni, Olivier; Combes, Michel; Encrenaz, Thérèse; Fouchet, Thierry; Merchiorri, Riccardo; Belluci, GianCarlo; Altieri, Francesca; Formisano, Vittorio; Bonello, Guillaume; Capaccioni, Fabricio; Cerroni, Pricilla; Coradini, Angioletta; Fonti, Sergio; Kottsov, Volodia; Ignatiev, Nikolai; Moroz, Vassili; Titov, Dimitri; Zasova, Ludmilla; Mangold, Micholas; Pinet, Patrick; Douté, Sylvain; Schmitt, Bernard; Sotin, Christophe; Hauber, Ernst; Hoffmann, Harald; Jaumann, Ralf; Keller, Uwe; Duxbury, Tom; Forget, François , Mars Surface Diversity as Revealed by the OMEGA/Mars Express Observations, Science, Volume 307, Issue 5715, pp. 1576-1581 (2005)

2. Encrenaz, T.; Melchiorri, R.; Fouchet, T.; Drossart, P.; Lellouch, E.; Gondet, B.; Bibring, J.-P.; Langevin, Y.; Titov, D.; Ignatiev, N.; Forget, F, A mapping of martian water sublimation during early northern summer using OMEGA/Mars Express, Astronomy and Astrophysics, Volume 441, Issue 3, October III 2005, pp.L9-L12

3. Bibring, Jean-Pierre; Langevin, Yves; Mustard, John F.; Poulet, François; Arvidson, Raymond; Gendrin, Aline; Gondet, Brigitte; Mangold, Nicolas; Pinet, P.; Forget, F.; OMEGA Team; Berthé, Michel; Gomez, Cécile; Jouglet, Denis; Soufflot, Alain; Vincendon, Mathieu; Combes, Michel; Drossart, Pierre; Encrenaz, Thérèse; Fouchet, Thierry; Merchiorri, Riccardo; Belluci, GianCarlo; Altieri, Francesca; Formisano, Vittorio; Capaccioni, Fabricio; Cerroni, Pricilla; Coradini, Angioletta; Fonti, Sergio; Korablev, Oleg; Kottsov, Volodia; Ignatiev, Nikolai; Moroz, Vassilli; Titov, Dimitri; Zasova, Ludmilla; Loiseau, Damien; Pinet, Patrick; Doute, Sylvain; Schmitt, Bernard; Sotin, Christophe; Hauber, Ernst; Hoffmann, Harald; Jaumann, Ralf; Keller, Uwe; Arvidson, Ray; Duxbury, Tom; Neukum, G., Global Mineralogical and Aqueous Mars History Derived from OMEGA/Mars Express Data, Science, Volume 312, Issue 5772, pp. 400-404 (2006)

4. Melchiorri, R.; Encrenaz, T.; Fouchet, T.; Drossart, P.; Lellouch, E.; Gondet, B.; Bibring, J.-P.; Langevin, Y.; Schmitt, B.; Titov, D.; Ignatiev, N., Water vapor mapping on Mars using OMEGA/Mars Express, Planetary and Space Science, Volume 55, Issue 3, p. 333-342, 2007

5. Altieri, F.; Zasova, L.; D'Aversa, E.; Bellucci, G.; Carrozzo, F. G.; Gondet, B.; Bibring, J.-P., O2 1.27 μm emission maps as derived from OMEGA/MEx data, Icarus, Volume 204, Issue 2, p. 499-511, 2009

6. Kuzmin, R. O.; Mironenko, M. V.; Evdokimova, N. A., Spectral and thermodynamic constraints on the existence of gypsum at the Juventae Chasma on Mars, Planetary and Space Science, Volume 57, Issue 8-9, p. 975-981, 2009

7. Евдокимова Н.А., Кузьмин Р.О., Родин А.В., Федорова А.А., Кораблев О.И., Бибринг Ж-П. Исследование распределения связанной воды, водяного льда и инея на поверхности Марса. I Обработка и коррекция данных наблюдений спектрометра OMEGA с борта КА «МARS-EXPRESS», Астрономический вестник 43 (5), 373-391, 2009

8. А.В. Родин, Н.А. Евдокимова, Р.О. Кузьмин, А.А. Федорова, О.И. Кораблев, Ж.П. Бибринг Отождествление следов атмосферных планетарных волн в динамике сезонной сублимации и конденсации льдов в полярных районах Марса по данным инфракрасного гиперспектрометра OMEGA КА Mars Express, Космические исследования, Том 48, номер 2, 2010, 153-160

9. Migliorini, A.; Altieri, F.; Zasova, L.; Piccioni, G.; Bellucci, G.; Cardesín Moinelo, A.; Drossart, P.; D'Aversa, E.; Carrozzo, F. G.; Gondet, B.; Bibring, J.-P., Oxygen airglow emission on Venus and Mars as seen by VIRTIS/VEX and OMEGA/MEX imaging spectrometers, Planetary and Space Science, Volume 59, Issue 10, p. 981-987, 2011

10. Altieri, Francesca; Spiga, Aymeric; Zasova, Ludmila; Bellucci, Giancarlo; Bibring, Jean-Pierre, Gravity waves mapped by the OMEGA/MEX instrument through O2 dayglow at 1.27 μm: Data analysis and atmospheric modeling, Journal of Geophysical Research, Volume 117, CiteID E00J08, 2012

11. Kuzmin, R. O.; Zabalueva, E. V.; Evdokimova, N. A.; Christensen, P. R., Mapping of the water ice content within the Martian surficial soil on the periphery of the retreating seasonal northern polar cap based on the TES and the OMEGA data, Journal of Geophysical Research, Volume 117, CiteID E00J19, 2012