Уникальный эксперимент в сотнях миллионов километров от Земли - попытка посадить зонд на комету 67P/Чурюмова Герасименко – вступает в решающую стадию. Межпланетная станция «Розетта» начала снижение, и через неделю ученые надеются окончательно определиться с местом посадки исследовательского зонда на комету. В колонке, написанной специально для sk.ru, о беспримерном научном достижении рассказывает Александр Ильин, генеральный конструктор компании-резидента космического кластера «Лин Индастриал»


6 августа после почти десятилетнего путешествия по Солнечной системе автоматическая межпланетная станция «Розетта» достигла своей цели – кометы Чурюмова-Герасименко. В момент встречи комета находилась на расстоянии 405 млн километров от Земли, между орбитами Марса и Юпитера, и летела внутрь Солнечной системы со скоростью более 15 км/c.

Период обращения кометы Чурюмова-Герасименко составляет 6,5 лет. Афелий её орбиты находится за Юпитером, а перигелий - между Землей и Марсом. Планируется, что «Розетта» будет сопровождать ядро кометы более года, по мере его движения вокруг Солнца.

По мнению ученых, ядра комет сохранили в своем составе вещество в том виде, в котором оно находилось при формировании Солнечной системы: они, по-видимому, образовались на периферии первичного облака. Более того, именно кометы могли занести на древнюю Землю воду и органические соединения, из которых впоследствии образовалась жизнь.

Комета Чурюмова-Герасименко. Фото: ЕКА.

Множество фундаментальных вопросов о кометах до сих пор остаются без ответов, поэтому работа «Розетты» крайне важна и даже может помочь раскрыть тайны прошлого нашей собственной планеты.

«Розетта» добиралась к кометному ядру «кружным путем» – станция, стартовавшая 2 марта 2004 г., совершила три гравитационных маневра около Земли (4 марта 2004 г., 13 ноября 2007 г. и 13 ноября 2009 г.) и один у Марса (25 февраля 2007 г.). Эти сложные маневры не только направили зонд к комете, но и позволили пройти в непосредственной близости от астероидов Штейнс (5 сентября 2008 г.) и Лютеция (10 июля 2010 г.) и получить беспрецедентные фотографии и научную информацию об этих двух объектах.

Название станции было дано по Розеттскому камню, найденному в Египте в 1799 г. солдатом армии Наполеона. Трехъязычная надпись на камне позволила Франсуа Шампольону проникнуть в тайну древнеегипетской письменности. И точно так же аппарат «Розетта» должен принести данные, раскрывающие древнюю историю Солнечной системы.

«После десяти лет, пяти месяцев и четырех дней путешествия к нашей цели, облетев Солнце пять раз и пройдя 6,4 млрд километров, мы рады объявить - мы сделали это. «Розетта» станет первым зондом в истории, который будет долгое время работать рядом с кометным ядром. Мы приступаем к исследованиям», - сказал генеральный директор ЕКА (Европейское космическое агентство) Жан-Жак Дорден (Jean-Jacques Dordain)

6 августа аппарат совершил последний из десяти запланированных маневров, которые начались реализовываться еще в мае. Их целью было постепенное выравнивание скорости относительно ядра кометы Чурюмова-Герасименко. Если бы хоть один из этих маневров потерпел неудачу, космический аппарат мог бы разминуться с кометой.

«Достижение является результатом кропотливой работы огромной международной команды ученых и инженеров, охватывающей несколько десятилетий. Мы проделали чрезвычайно длинный путь, так как эскизный проект этой миссии разрабатывался ещё в конце 1970-х годов, а одобрен был в 1993 г. Теперь мы готовы открыть сокровищницу научных знаний, которые заставят переписать многие книги о кометах», – добавил Альваро Хименес (Alvaro Gimenez), директор ЕКА по науке и автоматическим межпланетным станциям.

Вехи долгого пути

20 января этого года в 10 часов утра по Гринвичу сработал самый главный будильник в Солнечной системе: межпланетная станция «Розетта» «вышла из спячки». За два с половиной года до этого - 8 июня 2011 - аппарат был переведен в спящий режим на время прохождения апоцентра орбиты вдали от Солнца.

После пробуждения «Розетты» бортовой компьютер начал выполнение предварительных операций: были прогреты и включены навигационные приборы, остановлена закрутка на Солнце, построена ориентация, передающая антенна «поймала» Землю.

Потребовалось почти 45 минут для того, чтобы сигнал от зонда преодолел расстояние в 807 млн км и был принят станцией Голдстоун в Калифорнии, входящей в состав американской Сети дальней связи DSN (Deep Space Network), а затем был ретранслирован в Центр космических операций ЕКА (ESA Space Operations Center) в Дармштадте (Германия).

Сообщение об успешном пробуждении вызвало ликование в офисе ЕКА. Несмотря на уверенность в надежности аппарата, существовали определенные опасения, ведь зонд «приходил в себя» после 2,5 лет «сна».

Несколько недель после пробуждения были посвящены тестированию и настройке бортовых систем, в том числе средств хранения информации. На следующем этапе, который продлился до апреля, выполнялось тестирование научных приборов зонда «Розетта» и спускаемого аппарата «Филы» (Philae). Последний был включен в марте.

Спускаемый аппарат назван в честь острова на реке Нил, где был найден обелиск с именами Клеопатры и Птолемея, записанными иероглифами. Эти имена стали для Шампольона ключом к расшифровке иероглифов.

20 и 21 марта «Розетта» впервые после выхода из спячки сфотографировала комету Чурюмова-Герасименко. 20 марта снимок был сделан широкоугольной камерой системы OSIRIS, а 21 марта в работу включилась узкоугольная камера.

Прибор OSIRIS (Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System/Система оптической, спектроскопической и удаленной съемки) разработан под руководством Института Макса Планка. В него входят две камеры, предназначенные для съемки кометного ядра. Одна из них широкоугольная, другая – узкоугольная, с меньшим полем зрения, однако с более высоким разрешением.

OSIRIS – это лишь один из научных инструментов «Розетты». Работая сообща, приборы зонда способны получить информацию о геологии поверхности кометы, ее силе гравитации, массе, форме и внутренней структуре, ее газовом и плазменном окружении.

По своей конструкции «Розетта» напоминает геостационарный спутник связи «кубического» дизайна. Алюминиевый корпус аппарата имеет форму параллелепипеда размером 2.8x2.1x2.0 м. Стартовая масса КА составила 3065 кг, из которых 1650 кг (более половины!) приходилось на топливо, что обеспечивало запас характеристической скорости в 2.2 км/с. Научная аппаратура орбитального аппарата имеет массу 165 кг. Посадочный зонд весит 100 кг, из которых 21 кг приходится на приборы. Аппарат «Розетта» несет 11 научных приборов, а спускаемый аппарат «Филы» - 10.

Обозначение

Назначение

Орбитальный аппарат

OSIRIS

Узкоугольная и   широкоугольная камера для детальной съемки ядра кометы и астероидов

ALICE

Видовой УФ-спектрометр.   Предназначен для анализа газового состава комы и хвоста и нахождения скорости   образования H2O, CO и CO2

VIRTIS

Картирующий спектрометр   видимого и теплового ИК-диапазона для исследования свойств грунта

MIRO

Микроволновой зонд для   определения подповерхностной температуры ядра кометы и астероидов, а также   измерения газовых компонентов комы (H2O, CO, NH3, CH3OH) и скорости их образования

ROSINA

Спектрометр ионов и   нейтральных атомов для определения элементного, изотопного и молекулярного   состава комы

COSIMA

Масс-спектрометр вторичных   ионов. Служит для определения элементного и изотопного состава пылинок,   происходящих из ядра кометы, анализа неорганической и органической фазы в них

MIDAS

Датчик пылевой обстановки.   Посредством съемки определяет плотность пыли, размер и форму пылинок

GIADA

Анализатор кометной пыли.   Определяет количество, массу, момент импульса и распределение попавших   пылинок по скоростям

PRC

Плазменный комплекс   (магнитометр и анализаторы электронов и ионов; всего шесть приборов)

CONSERT

Радиозонд для изучения   крупномасштабной структуры ядра (передатчик)

RSI

Аппаратура точного   радиоконтроля орбиты. Используется для определения параметров орбиты кометы и   КА вокруг ее ядра, массы и плотности ядра, для зондирования комы и солнечной   короны методом радиозатмения

Посадочный зонд

COSAC

Анализатор летучих веществ   для определения элементного и молекулярного состава вещества ядра и выявления   органических молекул

Ptolemy

Анализатор (газовый   хроматограф) для определения изотопного состава легких элементов

MUPUS

Набор датчиков для   определения свойств поверхностного и подповерхностного вещества

ROMAP

Магнитометр для измерения   местных магнитных полей и монитор плазмы

SESAME

Комплект из трех приборов   для анализа электрических свойств грунта, акустического зондирования и   измерения оседающей пыли

APXS

Альфа-протон-рентгеновский   спектрометр для определения элементного состава грунта

CONSERT

Радиозонд для изучения   крупномасштабной структуры ядра (регистрирующая часть и ретранслятор)

CIVA

Шесть микрокамер для   панорамной съемки поверхности и спектрометр для изучения образцов грунта

ROLIS

ПЗС-камера для съемки на   спуске и для получения стереопанорам в зоне работы других приборов

SD2

Подсистема бурения, забора   и распределения грунта

 

На первых снимках прибора OSIRIS, выполненных с расстояния около 5 млн километров, комета была едва заметна – её размеры составляли порядка одного пикселя. Чтобы её обнаружить, потребовалась выдержка от 60 до 300 секунд.

Сразу после получения первых снимков научный руководитель миссии из Института Макса Планка Холгер Сиркс (Holger Sierks) сказал: «Мы испытываем совершенно невероятные ощущения, поскольку практически вживую можем наблюдать цель десятилетнего проекта. Эти изображения, снятые нами с такого огромного расстояния, показывают не только комету, но и то, что OSIRIS полностью готов к старту активной фазы миссии».

OSIRIS и специализированные навигационные камеры «Розетты» продолжили съемку кометы по мере приближения к ней, в том числе и для того, чтобы уточнить траекторию зонда.

Изображения, полученные камерой OSIRIS в конце апреля – начале июня, продемонстрировали, что комета живет весьма активной жизнью. Кома этого небесного тела (оболочка газа и пыли) была сначала очень яркой, но затем, в течение шести недель, её свечение уменьшалось.

В тот же самый период измерения, проведенные с помощью микроволнового инструмента MIRO (Microwave Instrument for Rosetta Orbiter, микроволновый инструмент «Розетты»), показали, что комета испускает водяной пар в космос в объемах примерно 300 миллилитров в секунду. Это довольно необычно, поскольку небесная странница всё ещё находится довольно далеко от Солнца. Первые наблюдения за извержением водяного пара начались 6 июня, когда «Розетта» находилась на расстоянии 350 тысяч км от кометы.

«Мы всегда знали, что когда-нибудь увидим извержение водяного пара из ядра кометы, однако мы были удивлены тем, что обнаружили его так рано. Такими темпами, комета сможет заполнить олимпийский бассейн примерно за 100 дней», - говорит Сэм Гулкис (Sam Gulkis), руководитель исследований прибора MIRO из Лаборатории реактивного движения NASA.

Наряду с окисью углерода, метанолом и аммиаком, водяной пар является основным летучим компонентом кометы. Прибор MIRO разработан для определения концентрации каждого из этих «ингредиентов», что необходимо при анализе природы кометного ядра. Газы также несут с собой пыль. Все это формирует кому, окружающую комету. По мере приближения к Солнцу кома расширяется. В конце концов, под воздействием его излучения, из комы сформируется длинный хвост. За этим процессом подробно проследит «Розетта».

По мере приближения зонда к комете наблюдения продолжались - 13-21 июля инфракрасный спектрометр VIRTIS (Visible, InfraRed and Thermal Imaging Spectrometer, спектрометр для термического картографирования в видимом и инфракрасном диапазонах) впервые измерил температуру кометы. Она оказалась равной -70° C, а значит, поверхность кометного ядра, скорее всего, является относительно темной и пыльной, а не сверкающей и ледяной. За время наблюдений расстояние от зонда до кометы уменьшилось с 14 тысяч км до чуть более 5 тысяч км.

"Розетта" и комета. Иллюстрация: ЕКА

На таком расстоянии размер кометы на снимках аппарата составил несколько пикселей, поэтому у ученых не было возможности составить карту температур кометного ядра. Однако по собранному инфракрасному излучению была найдена средняя температура. В момент наблюдений комета находилась на расстоянии в 555 млн километров от Солнца. На таком расстоянии комета получается в десять раз меньше солнечной энергии, чем на орбите Земли. Температура -70°С может показаться довольно низкой, однако она выше той, которую предполагали обнаружить специалисты, на 20-30 градусов.

«Этот результат очень интересен для нас, так как он дал нам первый ответ на вопрос о составе и физических свойствах поверхности кометы», - сказал Фабрицио Капаччиони (Fabrizio Capaccioni), научный руководитель миссии прибора VIRTIS. С каждым днем деталей на фотографиях становилось всё больше – с расстояния 12 тысяч км уже можно было увидеть, что ядро состоит из двух сегментов, соединенных относительно тонким «перешейком». «Наши первые четкие снимки кометы уже тогда показали, что нам есть о чем подумать. Является ли комета двойной структурой, составленной, возможно из двух отдельных комет, которые объединились во время формирования Солнечной системы? Или, возможно, она является одиночной кометой, которая подвергалась процессам деградации в течение долгого времени?», - задался вопросами Мэтт Тейлор (Matt Taylor), координатор проекта «Розетта» в ЕКА.

По последней информации, «Розетта» приблизилась к ядру кометы на расстояние всего в 100 км. В ближайшие время зонд опустится ещё ниже - за шесть недель он опишет две сложные траектории и окажется на высоте в 50 км от поверхности ядра. Во время сближения большой набор всевозможных инструментов должен будет обеспечить подробные научные исследования кометы, а так же тщательно изучать поверхность для поиска места для посадки зонда «Филы». В итоге «Розетта» окажется на расстоянии 30 километров от поверхности, а её орбита вокруг ядра станет почти круговой.

«Сближение с кометой является только лишь началом захватывающего приключения, связанного с новыми трудностями и проблемами. Мы впервые будем изучать поверхность кометы Чурюмова-Герасименко, чтобы найти место для посадки зонда «Филы», - рассказывает Сильван Лодье (Sylvain Lodiot), руководитель операциями аппарата «Розетта».

В середине сентября ученые надеются окончательно определиться с местом посадки зона «Филы» – посадочная площадка будет выбрана из пяти кандидатов, обнаруженных в августе. Заключительный график посадочных операций будет разработан в середине октября, и если всё пойдет по плану, первая в истории посадка зонда на кометное ядро состоится 11 ноября.

«На протяжении нескольких месяцев вместе с изучением необычного ядра кометы мы будем проводить подготовку к посадке. После этого события «Розетта» будет сопровождать комету до перигелия (ближайшая к Солнцу точка орбиты) 15 августа 2015 года. Аппарат пронаблюдает поведение кометы с близкого расстояния, что даст нам уникальную возможность получать информацию практически в реальном времени о том, какие процессы протекают на этом объекте», – уточнил Мэтт Тейлор.

Зонды - исследователи комет

За всю историю космических исследований с помощью зондов были изучены семь комет.

Дата

Аппарат

Комета

Результаты

11.09.1985

ICE (ISEE-3)

Джакобини-Циннера

КА прошел сквозь плазменный хвост в 7862 км от ядра кометы   и выполнил измерения частиц, полей и волн. Установлено, что основной   составляющей ядра является водяной лед. В хвосте кометы обнаружены молекулы   воды и ионы CO и холодная медленная плазма

06.03.1986

Вега-1

Галлея

КА прошел на расстоянии около 9000 км от ядра, выполнил   его съемку, провел изучение частиц и плазмы

08.03.1986

Suisei

Галлея

КА прошел в 151000 км от ядра кометы Галлея со стороны   Солнца, получил два удара частицами

09.03.1986

Вега-2

Галлея

КА прошел на расстоянии около 8000 км от ядра, выполнил   его съемку, провел изучение частиц и плазмы

14.03.1986

Giotto

Галлея

КА выполнил пролет кометы Галлея на расстоянии 596 км от   ядра на относительной скорости 68.37 км/с, произвел его съемку с разрешением   100 м и спектрометрирование, обнаружив сложные органические молекулы. Ударами   частиц была нарушена ориентация КА и выведена из строя камера

10.07.1992

Giotto

Григга-Скьеллерупа

КА прошел примерно в 200 км от ядра кометы на   относительной скорости около 14 км/с, исследовал частицы и плазму

22.09.2001

Deep Space 1

Боррелли

КА прошел на расстоянии 2200 км от ядра кометы, провел   съемку и спектрометрирование, исследовал заряженные частицы и магнитное поле

02.01.2004

Stardust

Вильда-2

КА прошел на расстоянии 236 км от ядра, выполнил его   съемку и забор пылевого вещества комы для доставки на Землю

04. 07.2005

Deep Impact

Темпеля-1

КА прошел на расстоянии 500 км от ядра, с аппарата был   сброшен импактор массой 350 кг, который столкнулся с кометой, вызвав выброс   кометного вещества массой около 10000 тонн. Deep Impact выполнил анализ   состава выброшенного вещества.

04.11.2010

Deep Impact

(миссия EPOXI)

Хартли-2

КА прошел на расстоянии 694 км от ядра кометы и получил   его качественные снимки. На изображениях ученые обнаружили своего рода   «снежную бурю»: рядом с ядром кометы было зафиксировано облако мелких частиц   размером от песчинки до баскетбольного мяча.

14.02.2011

Stardust

(миссия NExT)

Темпеля-1

КА прошел на расстоянии 181 км и сделал 72 снимка.   Основная цель сближения - изучение изменений на поверхности кометы, вызванных   сбросом на нее импактора зонда Deep Impact. После обработки фотографий,   полученных во время пролета ядра кометы Темпеля, ученым удалось найти   рукотворный кратер. Его диаметр оказался равен 150 м.

До «Розетты» все исследования комет проходили в режиме пролета - в течение очень небольшого интервала времени из-за огромных относительных скоростей. Аппарат Stardust в январе 2004 г. прошел у ядра кометы Вильда-2 с рекордно низкой скоростью – всего 6 км/c. Этот аппарат впервые доставил на Землю вещество из комы кометы.

 

4 июля 2005 г. Deep Impact, прошедший на расстоянии 500 км от кометы Темпеля, впервые в истории выпустил ударник, протаранивший ее ядро. В результате этого эффектного контактного эксперимента образовался 100-метровый кратер глубиной 30 м. Выброшенные продукты столкновения исследовались дистанционно, с помощью приборов Deep Impact. В феврале 2011 г. пострадавшую комету повторно осмотрел Stardust, заодно поставив новый рекорд минимального расстояния от ядра – всего 181 км.