Как устроены космические зонды и зачем они изучают астероиды

КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ достаточно давно исследуют астероиды. С 1991 года около десятка космических аппаратов осуществили пролеты различных малых тел и выход на их орбиты в качестве искусственных спутников. Летом 2010 года возвращаемый аппарат японского зонда Hayabusa («Хаябуса») впервые осуществил доставку на Землю образцов вещества с поверхности небольшого астероида Итокава.

Чрезвычайная важность изучения состава и строения астероидов объясняется возможной опасностью, которую они представляют для человечества. А таковая сегодня рассматривается вполне серьезно. Большое количество атомных и гидроэлектростанций, высокая плотность населения в прибрежных подверженных действию цунами районах определяют сильную уязвимость земной цивилизации при падении даже небольших космических тел. В случае возникновения угрозы столкновения астероида с Землей могут быть предприняты меры для его предотвращения или минимизации последствий. Например, к активным мерам относится бомбардировка поверхности астероида с целью его распада на несколько тел, что должно привести к уменьшению скорости и ударного воздействия при торможении в атмосфере. В качестве пассивной меры предлагается перекрашивание поверхности (такая возможность обсуждается всерьез!), которое повлияет на ее отражательную способность и вызовет небольшое изменение орбиты за счет вариации солнечного давления. Все это показывает необходимость подробного изучения вещества, морфологии поверхности, внутреннего строения и других необходимых параметров астероидов.

       OSIRIS-REx протягивает «руку» астероиду.

Кроме того, вещество непосредственно 1999 RQ36 состоит из углистых хондритов, богатых углеродом и насыщенных кристаллической водой, входящей в кристаллическую решетку низкотемпературных легкоплавких минералов. Это вещество оставалось практически неизменным с момента образования Солнечной системы 4,5 миллиарда лет тому назад и потому представляет значительную ценность для ученых. Углистые хондриты уже давно подробнейшим образом исследуются в земных лабораториях. С начала 1960-х годов ведется анализ этого типа космического вещества на предмет следов существования внеземной жизни. И некоторые ученые считают, что остатки примитивных одноклеточных организмов в углистых хондритах уже найдены.  

Сегодня в научной среде на эту тему ведутся жаркие споры. Часть геохимиков и микробиологов утверждают, что обнаружили в углистых хондритах достаточно высокоорганизованные формы жизни, такие как одноклеточные грибы и сине-зеленые водоросли. Большинство же ученых пока настроены скептически и не считают найденные образцы остатками микроорганизмов.

В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ существует большое разнообразие малых космических тел. Как, когда и в результате каких процессов они возникли?

        OSIRIS-REx – очередная многокомпонентная аббревиатура от НАСА. Расшифровывается она как Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer. В переводе на русский – Происхождение, Спектральная интерпретация, Идентификация ресурсов, Безопасность, Исследование реголита (астероидного грунта).

Достоверно определено, что астероиды являются продуктами столкновений первичных планетозималей («сгустков» межзвездной пыли), возникших одновременно с большими планетами около 4,5 миллиардов лет назад. Эти планетозимали не смогли образовать единую планету из-за сильного гравитационного воздействия соседнего Юпитера. Гипотеза о былом существовании гипотетической планеты Фаэтон ныне полностью отвергнута как противоречащая фактам. Таким, например, как «несходимость» орбит астероидов в одной точке и дискретность их возникновения. (Об этом говорят относительно невысокие температура и давление, сопровождавшие кристаллизацию вещества.) Другой важный довод – радиальное разделение астероидов внутри их пояса, располагающегося между орбитами Марса и Юпитера, по вещественному составу и плотности. В ближайшей к Марсу (и Солнцу) части пояса астероидов преобладают железо и никель, далее, в средней части, в составе малых планет – хондритовая составляющая, а рядом с Юпитером – легкоплавкие углистые хондриты. Это вызвано тем, что по мере приближения к Солнцу происходит испарение легкоплавких летучих составляющих.

У читателя может возникнуть резонный вопрос: каким образом самые далекие от нас нежелезные метеориты и астероиды попадают в окрестности Земли и на ее поверхность? Дело в том, что гравитационное влияние больших планет и взаимные столкновения в поясе астероидов выбрасывают некоторое число астероидальных тел за пределы промежутка между орбитами Марса и Юпитера. Таким образом астероиды и метеориты попадают внутрь орбиты Земли. Как правило, их афелий (самая удаленная от Солнца точка орбиты) продолжает находиться в поясе астероидов.

     
  Астероиды, которые рано или поздно могут оказаться вблизи Земли, сегодня подлежат пристальному наблюдению ученых. По расчетам, среди них около 2100 тел, чей диаметр больше километра, и 320 тысяч космических «камешков» более 100 метров в поперечнике. Первые при столкновении с нашей планетой приведут к глобальной катастрофе (например, динозавров сгубил 10-километровый астероид). Вторые – к локальному катаклизму вроде Тунгусского. Но самая большая проблема заключается в том, что, несмотря на все наблюдения, предсказать траекторию движения мы можем только для 7 процентов больших астероидов и для 0,1 процента малых.

«ЦЕЛЕВОЙ АСТЕРОИД МИССИИ представляет собой «капсулу времени», оставленную с момента рождения Солнечной системы, и возвещает начало новой эры исследования планет, – заявил Джим Грин (Jim Green), глава подразделения планетарных наук в управлении научных миссий НАСА. – Кроме того, полученная в ходе миссии информация поможет разработать методы, совершенствующие слежение за орбитами астероидов».

Действительно, важнейшей стороной полета станции OSIRIS-REx будет отработка операций с объектами, сближающимися с Землей, одним из которых является 1999 RQ36. Как уже упоминалось, ранее японский зонд Hayabusa доставил на Землю крошечное количество вещества с астероида Итокава. Но для США OSIRIS-REx станет первой миссией по доставке образцов грунта с астероида.

Запуск аппарата запланирован на ноябрь 2016 года. Цель будет достигнута в 2020 году, причем зонд будет двигаться рядом с астероидом в течение полугода, составляя с высоты 5 километров подробную карту поверхности. После этого будет выбрано место окончательного сближения, OSIRIS-REx опустится к самому астероиду и проведет забор проб. Происходить это будет следующим образом: зонд подойдет близко к поверхности астероида и вытянет к нему «руку» с механизмом для сбора образцов, напоминающим воздушный фильтр автомобиля. Выпущенный аппаратом в момент контакта (продолжительностью всего 5 секунд) поток азота поднимет рыхлый материал с поверхности космического тела. В общей сложности ожидается собрать от 50 граммов до 2 килограммов вещества. После нескольких оборотов вокруг Солнца, в 2023 году зонд доставит образцы на Землю для исследования.

По заявлению научного руководителя миссии Майкла Дрейка (Michael Drake) из Университета Аризоны (University of Arizona), он и его коллеги учли японский опыт с астероидом Итокава при планировании OSIRIS-REx. «У них было недостаточно времени возле астероида-цели, чтобы по-настоящему понять окружающую обстановку, в которой работают, и безопасно провести операции сближения», – заявил Дрейк, отметив, что его команда потратит до полугода, выбирая место сбора образцов.

У миссии OSIRIS-REx будут и другие интересные задачи. Например, впервые непосредственно измерить небезызвестный эффект Ярковского, заключающийся в появлении у астероида слабого реактивного импульса в результате поглощения солнечного тепла «днем» и его излучения «ночью». В космических масштабах этот небольшой импульс оказывает некоторое влияние на изменение орбиты астероида. Пока существование эффекта Ярковского подтверждается лишь наблюдениями с Земли. Прямые измерения его величины позволят уточнить имеющиеся формулы для более точного предсказания траекторий полета небесных тел. 

OSIRIS-REx будет снабжен системой из трех фотокамер высокого разрешения, инструментом ближнего инфракрасного диапазона для картографирования состава поверхности, спектрометром теплового излучения, видеоспектрометром рентгеновского диапазона, сканирующим лидаром (дальномером оптического диапазона, формирующим картину окружающего пространства) для локации и картографирования от Канадского космического агентства (Canadian Space Agency – CSA). Все эти приборы будут активно использоваться при сближении с астероидом и его сопровождении.

МЕСТО ПОСАДКИ намечено в той же пустыне штата Юта, куда некогда вернулась капсула зонда Stardust. Да и сама капсула для доставки образцов будет аналогична использованной в прошлом. Вероятный сценарий приземления предусматривает разделение основной, более тяжелой части возвращаемого отсека и непосредственно посадочной капсулы с образцами внеземного вещества, как это было ранее при возвращении к Земле соответствующих отсеков Stardust и Hayabusa. Далее образцы с астероида будут доставлены в Космический центр имени Линдона Джонсона (The Lyndon B. Johnson Space Center – JSC) для изучения в изоляции, в соответствии с международным протоколом планетарной защиты.

Общая стоимость реализации проекта составит более 800 млн долларов. Неограниченное, применительно к нынешним детальным методам исследования, количество космического вещества будет распределено по десяткам ведущих лабораторий мира.