«Люси» – главный «палеонтолог» Солнечной системы
Астероиды, хранящие тайны
В современной науке о Солнечной системе – новый тренд: охота за древностями. Вслед за попытками найти следы былой жизни на Марсе возник и особый интерес к самым мелким обитателям нашего большого дома – астероидам. Фундамент для этого интереса был заложен еще при их изучении телескопами.
Данные от них – а также от новейших методик изучения метеоритов – позволили прийти к выводу, что астероиды – не просто космические булыжники. Выяснилось, что они почти не изменились с эпохи, когда из них образовались все планеты, включая нашу. То есть это своеобразные древние окаменелости, которые содержат в себе нетронутые следы образования Солнечной системы. В отличие от планет они не подвергались различным геологическим изменениям, из эрозийных процессов, которые их коснулись, можно отметить разве что солнечное излучение (да-да, оно тоже может изменить поверхность «небесных камней»). По сути, астероиды остались почти неизменными с того самого момента, как образовалась Солнечная система. И как антропологи восстанавливают физические и социальные особенности предков людей по ископаемым остаткам, так и планетологи могут узнавать «быт» ранней Солнечной системы.
Вот только если ископаемые остатки разбросаны тут, на Земле, то за десятками тысяч астероидов приходится гоняться в дорогостоящих космических проектах. И как одна найденная кость неандертальца мало что скажет о его жизни, так и исследование одного астероида вряд ли сильно поможет раскрытию тайн Солнечной системы.
Хотя и такие попытки предпринимаются. Японская миссия «Хаябуса 2» доставила на Землю образцы грунта с астероида Рюгу, американская миссия OSIRIS-REx доставит образец с астероида Бенну в 2023 году, аналогичный проект готовится и Китаем. Но каждая из этих миссий дорого стоит, долго готовится и долго реализуется. Неизбежно возник вопрос: можно ли создать один космический корабль, который изучит сразу несколько астероидов, причем желательно разных?
Имя с намеком
Так появилась идея проекта «Люси». Название выбрали практически сразу с отсылкой как раз к ископаемым. Имя Люси носят останки, найденные в 1974 году в Эфиопии. Это самый древний и наилучшим образом сохранившийся скелет австралопитека. Люси жила 3,2 миллиона лет назад. А космическая «Люси» должна рассказать, какой была Солнечная система около 4,5 миллиарда лет назад.
Зонд NASA «Люси» перемещают в горизонтальное положение на стенде завода Astrotech Space Operations во Флориде. Фото: NASA/Glenn Benson, images.nasa.gov
Проект «Люси» был выбран NASA для реализации в рамках программы Discovery, которая дала миру такие известные проекты, как «Кеплер», ответственный за открытие нескольких тысяч планет за пределами Солнечной системы, а также «Инсайт» (изучал сейсмическую активность Марса) и «Доун», исследовавший карликовую планету Цереру.
Как и почему NASA выбирает те или иные цели для своих будущих миссий? С периодичностью в несколько лет научное сообщество выдвигает идеи о том, что было бы неплохо запустить некую перспективную миссию. Приводится обоснование ее актуальности, затем она заявляется на одну из нескольких программ финансирования, действующих в NASA. Агентство выбирает ряд наиболее интересных проектов и дает зеленый свет на их реализацию. Похоже на грантовую систему в науке, только каждая программа ограничена своим бюджетом и целями: некоторые посвящены изучению Солнечной системы, другие – астрофизике. И так далее. По программе Discovery бюджет «Люси» был ограничен 500 миллионами долларов. Конечно, случаются разные форс-мажоры, и в особых обстоятельствах финансирование может быть расширено.
Научным сопровождением работы «Люси» занимаются сразу несколько опытных в космических исследованиях американских институтов. Ведущую роль играет Юго-Западный исследовательский институт, который известен по миссии «Новые горизонты», позволившей в 2015 году получить уникальные снимки Плутона и его спутника Харона, а также попутно взглянуть на Аррокот – самый далекий объект Солнечной системы, который когда-либо «навестил» созданный человеком аппарат.
Создание самого зонда было поручено не менее опытному производителю спутников компании «Локхид Мартин», а разработкой траектории путешествия занимался Центр космических полетов имени Годдарда. И об этом нужно сказать отдельно, ведь траектория «Люси» – то, что делает миссию уникальной. По такому сложному пути еще никто и никогда не запускал космические зонды. Именно из-за него этот проект можно считать вершиной инженерной мысли, использующей орбитальную механику по полной программе.
Иллюстрация космического зонда «Люси» в развернутом положении, nasa.gov
С широким размахом
Создатели «Люси» решили взяться за исследование не так называемых околоземных астероидов, к которым относятся уже упомянутые Рюгу и Бенну, а за гораздо более далекую и загадочную группу – астероидов-«троянцев» на орбите Юпитера. Так называют два больших скопления астероидов, которые делят с самой большой планетой Солнечной системы одну орбиту.
Они находятся в относительно стабильных областях орбиты планеты, которые носят названия точек Лагранжа L4 и L5. Благодаря гравитационному взаимодействию Юпитера и Солнца тела в этих областях могут на долгое время задерживаться, хотя назвать эти области очень стабильными все же нельзя – любое возмущение способно выбить тело из этого равновесия. Тем не менее, мощная гравитация Юпитера позволяет ему «содержать» большие группы астероидов впереди и позади себя на орбите примерно в 60 градусах дуги орбиты, то есть на удалении в сотни миллионов километров от него самого. К слову, такие точки есть и на орбитах других планет. Однако гравитация других планет нашей системы намного слабее гравитации Юпитера, поэтому положение дел в их точках Лагранжа еще более нестабильно.
Запуск ракеты-носителя Atlas V, выводящей в космос зонд «Люси». Фото: United Launch Alliance, flickr.com
После запуска 16 октября 2021 года с помощью ракеты «Атлас-5» «Люси» отправилась по траектории, которая вывела аппарат на гравитационный маневр у Земли спустя ровно год. Зонд использовал пролет около родной планеты для изменения траектории, и теперь он направляется к первому пункту назначения – четырехкилометровому астероиду Дональдйохансон (52246 Donaldjohanson), мимо которого промчится в Главном поясе в 2025 году.
Затем в точке Лагранжа L4 на орбите Юпитера в 2027–2028 году аппарат будет исследовать астероиды Эврибат (3548 Eurybates), Полимелу (15094 Polymele), Левкос (11351 Leucus) и Орус (21900 Orus). После этого «Люси» вернется во внутреннюю Солнечную систему, совершит еще один гравитационный маневр у Земли и отправится на этот раз в точку L5 на орбите Юпитера, чтобы посетить двойной астероид Патрокл-Менетий (617 Patroclus-Menoetius). Это должно случиться в 2033 году. И если зонд будет в порядке, то он сможет продолжать исследовать другие астероиды-«троянцы», посещая их места скопления каждые шесть лет.
Как мы видим, траектория действительно уникальна: каждый раз, чтобы попасть в другую точку орбиты, по которой Юпитер вращается вокруг Солнца, зонд будет возвращаться к Земле.
В центре внимания
Разумеется, во время подготовки миссии и даже после ее запуска астрономы с особым вниманием изучали дистанционно будущие цели «Люси», чтобы как можно лучше подготовиться к тому, что покажет зонд. Так, с помощью космического телескопа «Хаббл» удалось открыть спутник у астероида Эврибат, поэтому количество изучаемых объектов увеличилось. Позднее спутник обнаружился и у Полимелы. Поэтому на данный момент список обязательных для посещения мест «Люси» выглядит следующим образом:
Дональдйохансон – 4-километровый астероид С-класса, богатый углеродом;
Эврибат – 64-километровый астероид С-класса, богатый углеродом и имеющий 1-километровый спутник;
Полимела – 27-километровый астероид P-класса, очень темный, возможно, содержит органические соединения, имеет 5-километровый спутник;
Левкос – 34-километровый астероид D-класса, объекты такого типа встречаются редко во внутренней Солнечной системе, поэтому их состав наиболее загадочен;
Орус – 51-километровый астероид D-класса, один из крупнейших «троянцев»;
Патрокл и Менетий – 113- и 104-километровые астероиды P-класса, соответственно, вращаются вокруг общего центра масс.
Инструментарий
Масса полностью заправленного зонда составляет 1550 килограммов. Причем с учетом огромного количества требующихся ему для работы маневров около половины веса – это топливо. Его размер при всех выпущенных солнечных панелях и инструментах – 15,8 на 7,2 на 2,78 метра. На борту помимо систем, обеспечивающих связь, навигацию и энергоснабжение корабля, находятся всего три научных инструмента, но они обещают дать массу информации.
Инструменты «Люси», nasa.gov
L'Ralph – интегрированный двойной инструмент. В его состав входит мультиспектральная камера (MVIC), которая сможет делать изображения в видимом диапазоне на длинах волн от 0,4 до 0,85 микрон (именно такие отвечают за самые «красивые» картинки от космических исследований), а также инфракрасный спектрометр (LEISA), который работает на длинах волн от 1 до 3,6 микрон и будет отвечать за изучение химического состава поверхностных материалов астероидов.
L'LORRI – мощная камера, которая охватывает длины волн от 0,35 до 0,85 микрон, с ее помощью будут получены панхроматические (так называемые «черно-белые», где красный, синий и зеленый каналы объединены в один, а интенсивность видимого света определяется оттенком серого) самые детальные снимки поверхности астероидов.
L’TES – термоэмиссионный спектрометр. Работает в диапазоне от 6 до 75 микрон, позволит изучить тепловую инерцию, температурные характеристики астероидов, а также их состав и структуру.
Впрочем, создатели миссии не намерены ограничиваться только сугубо научными инструментами в работе. В частности, для оценки массы астероидов путем измерения доплеровского сдвига радиосигнала применят антенну с высоким коэффициентом усиления, которую аппарат использует для связи. А навигационная камера T2CAM, основной функцией которой является оценка ориентации зонда по известным ярким объектам, еще и сделает широкоугольные снимки астероидов.
Проблема с солнечной батареей
Зонд рассчитан на очень длительный полет, к тому же работать он будет на орбите Юпитера, где уровень поступающей солнечной энергии гораздо ниже, чем в районе земной орбиты. Поэтому «Люси» использует две почти круглые 7,3-метровые солнечные панели общей площадью 51 квадратный метр, способные вырабатывать 18 киловатт энергии на орбите Земли и более 500 ватт на орбите Юпитера, чего достаточно для функционирования всех систем. Задача эта очень непростая: как мы видим, солнечного света на орбите Юпитера почти в 35 раз меньше, чем у орбиты Земли.
Такая необычная форма панелей, которая также была использована на марсианском посадочном модуле «Инсайт», обусловлена необходимостью поместить под головной обтекатель ракеты в сложенном виде батареи максимально доступной площади. Но это повысило сложность развертывания.
Вскоре после запуска «Люси» одна из панелей раскрылась на все 360 градусов, после чего механизм фиксации защелкнулся, а вторая панель развернулась лишь на 347 градусов и осталась жестко не закрепленной. Оказалось, что трос, который растягивает панель, соскочил с катушки на вал. При таком уровне раскрытия аппарат вырабатывал больше 90 процентов энергии от номинальной. И в принципе мог бы даже в таком состоянии работать. Инженеров в большей степени смущало то, что панель не была жестко зафиксирована, и это могло привести к непредвиденным проблемам в будущем.
Поэтому спустя месяцы расчетов и моделирования команда миссии приступила к исправлению ситуации. Мотор, накручивающий трос для развертывания, запускался осторожно несколько раз, увеличивая натяжение и постепенно раздвигая панель все дальше. В результате удалось ее развернуть на 355 градусов, а главное – она жестко зафиксировалась. На этом пока было решено остановиться.
Испытания солнечных батарей зонда «Люси». Фото: Lockheed Martin ,nasa.gov
Кстати, во время гравитационного маневра около Земли 16 октября 2022 года зонд оказался на расстоянии всего лишь 350 километров от поверхности нашей планеты. Такого рискованного и близкого маневра не совершала еще ни одна миссия – это по-настоящему уникальная черта «Люси». Аппарат оказался даже ниже орбиты МКС! Ему пришлось пролететь мимо всех зон «обитания» тысяч околоземных спутников, поэтому предварительно на бортовой компьютер «Люси» были загружены два аварийных алгоритма маневрирования двигателями – на случай, если на пути окажется какой-нибудь из них. Но необходимости в аварийных мерах так и не возникло.
А вот сам гравитационный маневр мог быть и более лихим – планировалось, что зонд пролетит на расстоянии 320 километров от Земли. Высоту пришлось немного увеличить, чтобы снизить угрозу для «травмированной» солнечной панели. Ведь на такой высоте уже чувствуется сопротивление верхних слоев атмосферы, а парусность у панелей высокая, и нагрузка могла им навредить. Но все обошлось, так что «Люси» движется вперед – к раскрытию тайн рождения Солнечной системы. К 12 августа 2027 года зонд встретится с Эврибатом и его спутником и начнет свою основную научную миссию.
Наука
Сергей Максименков
Живые недра Селены
Плюс-минус вечность
USB объединяет
Луны-океаны, или Жизнь на дне
