Посылки с астероидов: одна доставлена, вторая — в пути
Рис. 1. Слева — астероид Рюгу с расстояния около 20 км. Фото сделано зондом «Хаябуса-2» 30 июня 2018 года. Справа — астероид Бенну с расстояния 24 км. Изображение составлено из 12 снимков, сделанных 2 декабря 2018 года зондом OSIRIS-REx. Оба астероида имеют схожую бипирамидальную форму и напоминают волчок. Пока нет внятного объяснения того, как именно они приобрели такую форму. Сходство есть и во внутреннем строении: у обоих астероидов, по-видимому, значительная часть объема приходится на пустоты — ученые характеризуют их как «кучи щебня». Фото с сайтов hayabusa2.jaxa.jp и nasa.gov
8 декабря в Японию доставили капсулу с грунтом астероида Рюгу, который был собран космическим зондом «Хаябуса-2». Как и планировалось, тремя днями ранее капсула с грунтом, сброшенная зондом на подлете к Земле, упала в Австралии. Этим окончился основной этап миссии «Хаябуса-2», которой теперь предстоит исследовать еще два околоземных астероида — мимо одного она пролетит в 2026 году, второй посетит в 2031 году. А в конце октября важные события произошли рядом с еще одним околоземным астероидом — Бенну: зонд NASA OSIRIS-REx успешно завершил операцию по сбору его грунта. Теперь OSIRIS-REx должен дождаться удобного момента для старта к Земле. Это, если все пройдет по плану, произойдет в марте 2021 года, а сам путь займет еще почти два с половиной года.
«Хаябуса-2» — вторая миссия Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) по доставке образцов внеземного вещества на Землю (название миссии в переводе с японского означает «сапсан»). Первый аппарат, «Хаябуса-1», изучал небольшой околоземный астероид спектрального класса S (25143) Итокава, но в ходе выполнения программы произошло множество неполадок. Первой серьезной проблемой стала солнечная вспышка в ноябре 2003 года, которая повредила солнечные батареи станции. Затем вышли из строя два из четырех маховиков системы ориентации, которые должны были удерживать зонд в устойчивом положении на орбите вокруг астероида. Кроме того, когда «Хаябуса» достиг Итокавы, он должен был сбросить на астероид посадочный зонд Minerva для исследования его поверхности. Однако произошла ошибка, и небольшой робот весом 1,1 килограмма и стоимостью около 10 миллионов долларов был потерян во время спуска.
Тем не менее, космический аппарат все же смог доставить на Землю крупицы внеземного вещества (всего удалось собрать около 1500 мелких минеральных зерен — размер большинства из них не превышал 10 мкм). Из-за сбоев в работе бортовых систем «Хаябуса» собрал менее одного миллиграмма грунта, но даже этого количества материала оказалось достаточно для некоторых выводов. Например, ученые смогли определить возраст фосфатных минералов, входящих в состав Итокавы — он оказался равен 4,64 миллиарда лет, что сравнимо с возрастом Солнечной системы (K. Terada et al., 2018. Thermal and impact histories of 25143 Itokawa recorded in Hayabusa particles). Кроме того, исследователи наконец-то получили убедительные доказательства того, что метеориты могут быть осколками астероидов.
Вторая миссия JAXA к астероиду оказалась гораздо успешнее. На этот раз японцы отправили космическую станцию к астероиду (162173) Рюгу. Он почти в два раза больше астероида Итокава (его диаметр равен 900 метрам) и во время движения вокруг Солнца пересекает орбиты сразу двух планет — Земли и Марса.
Одна из причин, по которой Рюгу был выбран в качестве цели миссии — его принадлежность к темному спектральному классу С, для которого характерно повышенное содержание углерода и гидратированных минералов. Считается, что он, как и другие подобные небесные тела, сформировались более 4,5 миллиарда лет назад и могут хранить нетронутое вещество туманности, из которой образовалось Солнце. Грунт Рюгу поможет ответить на несколько важных вопросов. Прежде всего ученых интересует, как в молодой Солнечной системе формировались «зародыши» планет (планетезимали) и крупные астероиды и, конечно, как в ней возникла жизнь (подробнее о планировании миссии и о ее целях и задачах см. презентацию M. Yoshikawa, 2014. JAXA's Small Body Explorations).
Рис. 2. Внешний вид аппарата «Хаябуса-2». Рисунок с сайта en.wikipedia.org
Аппарат, получивший название «Хаябуса-2», отправился в путешествие к астероиду Рюгу в декабре 2014 года с космодрома Танэгасима. Во многом он повторяет дизайн своего предшественника, но все-таки отличается от него. После первой миссии инженеры провели работу над ошибками и усовершенствовали станцию — в частности, они добавили реактивный маховик для резервной системы ориентации, дополнительную систему связи, работающую на частотах Ka-диапазона и усовершенствовали ионные двигатели. В число научных приборов, установленных на борту «Хаябусы-2», вошли инфракрасный спектрометр, с помощью которого аппарат изучал химический состав Рюгу и искал водяной лед, инфракрасная камера Thermal Infrared Camera, предназначенный для анализа температуры поверхности астероида, оптическая система Optical Navigation Camera, включающая в себя три камеры, четыре спускаемых аппарата (три робота MINERVA-II и французско-немецкий модуль MASCOT) и лазерный альтиметр LIDAR.
Хотя Рюгу относится к околоземным астероидам, а параметры его орбиты в целом близки к земным (перигелий — ~144 млн км, афелий — ~212 млн км), на то, чтобы добраться до астероида у зонда ушло почти четыре года, за которые он успел совершить почти три полных витка вокруг Солнца. Подлетая к астероиду, он смог получить детальные снимки его поверхности, которые показали, что она покрыта неровными камнями. Это затруднило поиск подходящего места для забора проб. Также выяснилось, что Рюгу как минимум отчасти представляет собой «кучу щебня» (то есть состоит из мелких обломков, которые удерживаются вместе силой гравитации) и в среднем немного плотнее воды. Его поверхность пористая, усыпана кратерами и очень молодая — ее возраст оценивают в 8,9 ± 2,5 миллиона лет (M. Arakawa et al., 2020. An artificial impact on the asteroid (162173) Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime).
Наиболее важной частью миссии стало получение образцов вещества небесного тела. Оно проходило в два этапа. В феврале 2019 года «Хаябуса-2» приблизился к астероиду и выстрелил по нему пятиграммовой танталовой пулей, после чего собрал поднявшиеся пыль и осколки с помощью специального металлического рожка и вернулся на рабочую 20-километровую орбиту. А в апреле 2019 года станция приступила к выполнению более сложной задачи — сбору глубинных образцов. Для этого был использован тяжелый пенетратор Small Carry-on Impactor, который состоял из медного ядра весом 2,5 килограмма и 4,5-килограммового заряда взрывчатого вещества. Аппарат сбросил снаряд на поверхность Рюгу, вследствие чего образовался искусственный ударный кратер. Затем, изучив кратер и собрав образцы вещества из более глубоких слоев астероида, «Хаябуса-2» покинул орбиту астероида и отправился обратно к Земле. Всего, по предварительным данным, удалось собрать около 300 мг вещества астероида Рюгу.
Рис. 3. Слева — копия возвращаемой капсулы «Хаябусы-2» с теплозащитным экраном. Справа — капсула с грунтом астероида Рюгу после приземления: ее уже упаковали в герметичную пленку и поместили в контейнер для транспортировки. Фото с сайтов en.wikipedia.org и hayabusa2.jaxa.jp
Обратный полет у «Хаябусы-2» занял год. 5 декабря после ряда маневров он сбросил возвращаемую капсулу с высоты 220 тысяч километров над поверхностью Земли. Капсула успешно приземлилась в Австралии в районе полигона Вумера. Благодаря тому, что на ней был установлен радиомаяк, поисковая группа нашла ее всего за несколько часов. Позже капсулу доставили в «чистую комнату», в которой специалисты разобрали ее и провели оперативный анализ стравленного газа, прежде чем он был загрязнен земным воздухом (однако результаты пока что неизвестны). Сами же пробы ученые не вскрывали.
Однако на этом миссия «Хаябусы-2» не закончится, поскольку у аппарата осталось почти 30 килограммов рабочего вещества для двигателей в запасе (изначально было 66 кг). Было решено, что в течение последующих десяти лет она изучит еще два астероида.
Первой из целей продленной миссии «Хаябусы-2» станет 2001 CС21, относящийся к редкому спектральному классу L. Его диаметр, по предварительным оценкам, может составлять от 3,5 до 15 километров (такой большой разброс объясняется тем, что оценки размеров делаются по поверхностной яркости, а точных данных об альбедо этого астероида нет). Орбита 2001 CС21 пересекает орбиты Земли и Венеры, она немного (примерно на 5 градусов) наклонена по отношению к эклиптике. Однако основной целью «Хаябусы-2» станет совсем маленький астероид 1998 KY26 — его диаметр составляет всего около 30 метров, принадлежащий к группе Аполлона. Он интересен тем, что довольно быстро вращается вокруг своей оси — один оборот всего за 10,7 минут. 1998 KY26 принадлежит к спектральному классу X и поможет астрономам изучить свойства малых быстровращающихся тел. Орбита этого астероида устроена так, что к нему довольно удобно полететь с Земли, однако для «Хаябусы-2» путь будет совсем не простым, поскольку зонд перед этим доставлял вещество с астероида Рюгу и был на совсем другой траектории, а мощность его ионных двигателей не позволяет совершать резкие маневры. В итоге потребуется три гравитационных маневра у Земли, чтобы выйти на нужную траекторию — по пути (в июле 2026 году) он пролетит мимо 2001 CС21, а 1998 KY26 будет достигнут только в 2031 году.
А в конце октября был пройден важнейший этап в другой «астероидной» миссии: зонд NASA OSIRIS-REx, отправленный к астероиду (101955) Бенну, стал третьим космическим аппаратом (и первым не японским), который смог собрать образцы вещества астероида. Это далеко не первая миссия Американского аэрокосмического агентства к малым телам Солнечной системы. Более того, это даже не первая «контактная» миссия: например, в 2001 году станция NEAR Shoemaker совершила мягкую посадку на поверхность астероида (433) Эрос, а в 2005 году в рамках миссии Deep Impact специальный зонд протаранил ядро кометы Темпеля 1. Теперь и NASA предприняло попытку доставить астероидный грунт в земные лаборатории.
Название миссии OSIRIS-Rex представляет собой акроним, в котором зашифрованы основные ее цели и задачи: Origins (происхождение) — доставить на Землю образцы пород древнего богатого углеродом астероида и проанализировать их; Spectral Interpretation (спектральная интерпретация) — провести спектральный анализ его состава и сравнить полученные данные с данными наземных телескопов, что поможет откалибровать их работу и уточнить методы анализа получаемой информации; Resource Identification (идентификация ресурсов) — картирование химических элементов и минералов, составляющих астероид; Security (безопасность): определение степени влияния солнечного света на флуктуации орбиты (это так называемый эффект Ярковского — слабый реактивный импульс, который появляется за счет теплового излучения от нагревающейся днем и остывающей ночью поверхности астероида); Regolith Explorer (исследователь реголита) — изучить текстуру, морфологию, геохимический состав и спектральные свойства реголита астероида.
Изначально в число потенциальных целей входило семь астероидов, включая Рюгу и 2002 AT4 из семейства амуров. Однако в итоге ученые остановились на 510-метровом астероиде (101955) Бенну. Он принадлежит к спектральному классу B, куда входят богатые углеродом объекты, и, вероятно, откололся от другого, более крупного небесного тела в период 0,7–2 млрд лет назад.
Бенну, как, вероятно, и Рюгу, представляет собой «кучу щебня» (O. S. Barnouin et al., 2019. Shape of (101955) Bennu indicative of a rubble pile with internal stiffness). Измерения показывают, что внутри астероид пористый и 20–40 процентов его объема приходятся на пустоту. Если бы мы аккуратно положили его на Землю, то он бы, скорее всего, развалился под собственным весом.
Ученые решили отправить космический аппарат именно к Бенну не случайно. Одна из причин довольно прагматическая: потенциально, это один из наиболее опасных астероидов. Каждые шесть лет он подходит близко к Земле, и есть шанс, что в период между 2169 и 2199 годом он столкнется с нашей планетой. Несмотря на то, что вероятность не слишком велика — примерно 1 к 2700 — исследователи предпочитают подстраховаться на тот случай, если Бенну все же придется уводить c орбиты, и изучить его физические и химические свойства.
Тщательные исследования грунта с Бенну также наверняка помогут пролить свет на историю формирования Солнечной системы. Кроме того, они могут дать ключи к решению и другой загадки. Сегодня Земля покрыта огромным мировым океаном, который занимает около 70 процентов ее поверхности. При этом пока непонятно откуда на нашей планете столько воды. Есть гипотеза, что четыре с половиной миллиарда лет назад Земля пережила столкновение с другим небесным телом размером с Марс (эту гипотетическую планету называют Тейей), в результате которого сформировалась Луна (W. F. Bottke et al., 2015. Dating the Moon-forming impact event with asteroidal meteorites). После такого катастрофического события вся вода на поверхности Земли должна была испариться. Поэтому сегодня есть два основных возможных объяснения наличия океанов на нашей планете: либо удар был недостаточно сильным, чтобы испарить всю воду на Земле, либо она попала на поверхность позже вместе с другими небесными телами — например, кометами и астероидами (Z. Jin, M. Bose, 2019. New clues to ancient water on Itokawa). Исследование состава Бенну на предмет содержания в нем водного льда могло бы помочь лучше понять историю происхождения мирового океана. И, наконец, такие астероиды, как Бенну, содержат важные ресурсы, включая воду, органические вещества и драгоценные металлы. Они могут быть использованы будущими миссиями во время межпланетных полетов.
Старт миссии OSIRIS-Rex состоялся 8 сентября 2016 года. Два года спустя космический аппарат достиг Бенну — для этого ему пришлось проделать путь длиной два миллиарда километров. Во время сближения станция обследовала окружающее пространство на предмет потенциальных угроз — небольших астероидов, которые невозможно обнаружить с Земли.
Подготовка к получению образцов грунта заняла у команды миссии два года. В этом ей помогали установленные на борту станции научные приборы: комплекс из трех камер OCAMS, лидар OLA, термоэмиссионный спектрометр OTES, спектрометр видимого и инфракрасного излучения OVIRS и рентгеновский спектрометр REXIS. Сначала OSIRIS-Rex, пролетая над разными участками Бенну на расстоянии семи километров, собрал данные о его массе и размерах, а также сделал снимки, что позволило построить модель небесного тела.
Рис. 4. Аппарат OSIRIS-Rex: общий вид и вид с «нижней» стороны с указанием всех инструментов. Рисунки с сайтов nasa.gov и en.wikipedia.org
Рис. 5. Анимация полета OSIRIS-Rex к астероиду Бенну. Указаны скорость аппарата и расстояние до цели. Анимация с сайта en.wikipedia.org
В декабре 2018 года космический аппарат вышел на низкую орбиту вокруг Бенну и начал более детальные исследования. Благодаря полученной приборами информации команда миссии построила топографическую карту поверхности, карту распределения химических элементов, а также определила несколько наиболее привлекательных мест для получения образцов грунта. В их число вошли области «Зимородок» и «Скопа» внутри кратеров вблизи экватора, область «Песочник» в районе вала 63-метрового кратера в южном полушарии и область «Соловей» внутри 70-метрового кратера в северной части небесного тела. К слову, такие имена были даны участкам вовсе не случайно — дело в том, что сам астероид был назван в честь птицы Бенну из древнеегипетских легенд, поэтому рабочая группа Международного астрономического союза выбрала птиц и мифических птицеподобных созданий в качестве основной темы для именования особенностей рельефа астероида.
Рис. 6. Снимки четырех потенциальных площадок для забора грунта. Слева направо: «Соловей» (основная площадка, которая в итоге и была выбрана), «Зимородок», «Скопа» и «Песочник». Изображение с сайта en.wikipedia.org
После долгих обсуждений команда миссии решила остановиться на «Соловье». 16-метровый участок был выбран из-за крайне низкого альбедо и большого содержания мелкодисперсного вещества. 21 января 2020 года OSIRIS-REx сошел с 1,2-километровой орбиты и пролетел над «Соловьем» на расстоянии 600 метров. Вся операция длилась 11 часов, в течение которых аппарат исследовал участок с помощью научных приборов, чтобы получить более качественные снимки поверхности для системы навигации и определить потенциально опасные зоны. Кроме того, аппарат для подстраховки также детально изучил область «Скопа» — она стала резервным местом состыковки.
Поскольку сбор образцов — самый критический этап миссии, команда OSIRIS-REx решила провести две репетиции перед основной операцией. Тем более, как показал опыт миссии «Хаябуса-1», получить пробы грунта не так уж легко.
Технология, примененная NASA в новой миссии, отличается от японской. Механизм (TAGSAM), использовавшийся для сбора грунта Бенну, представлял собой раскладное устройство, которое команда OSIRIS-REx описывает как «пылесос наоборот». При соприкосновении головной части пробоотборника с поверхностью Бенну поток сжатого азота, выпущенный из баллона, поднимал мелкие частицы реголита и направлял их в специальную камеру. Кроме того, контактные площадки на внешней стороне TAGSAM также собирали мелкодисперсное вещество.
Первая репетиция состоялась в апреле 2020 года. Космический корабль совершил пробный сход с орбиты и приблизился к контрольной точке над местом сбора образцов на высоте 125 метров. Вторая репетиция прошла в августе, когда станция OSIRIS-REx подошла на минимальное расстояние к «Соловью» и вернулась обратно на низкую орбиту. Во время каждого полета аппарат собирал и анализировал данные и изображения камер OCAMS и TAGCAMS, чтобы проверить работу систем навигации.
Продолжение в следующем посте.
