Зібрати минуле по крихтах

У середу, 27 червня, автоматична міжпланетна станція «Хаябуса-2» після чотирирічної космічної подорожі, нарешті, прибула до своєї мети - астероїда 162173 Ryugu. Наступні півтора року вона проведе в околицях цього астероїда, займаючись його вивченням як з орбіти, так і за допомогою модуля, що спускається. Передбачається, що станція виробить паркан ґрунту, який через п'ять років буде доставлений на Землю в герметичній капсулі. Редакція вирішила розібратися, як буде проходити основний етап місії і чим же невелике, непоказне небесне тіло на орбіті між Землею і Марсом так зацікавило вчених.

Як зародилася Сонячна система і як у ній виникло життя - ці два питання вже довгий час цікавлять вчених. За останній десяток років наші уявлення про формування та еволюції планетних систем суттєво збагатилися завдяки спостереженню за іншими зірковими системами, як ті, що вже сформувалися, так і тільки народжуються. Однак крім фізичних процесів, зрозуміти які дозволяють моделі, побудовані на основі спостережуваних даних, дослідників цікавить «хімія» - яким може бути склад планет і їх атмосфер і як він залежить від місця утворення планети і від віку і складу зірки.

У разі нашої планетної системи розуміння хімічних процесів може допомогти відповісти на питання, як утворилася наша Земля та інші планети і звідки на ній з'явилися «будматеріали» для виникнення життя, такі як вода і органічні речовини.

Космічна хімія

«Хімію» планетних систем можна вивчати по-різному - дистанційно, проводячи спектроскопічний аналіз випромінюваного або поглиненого світла атмосферами або поверхнями планет або протопланетних дисків, або вивчаючи речовину, що залишилася після формування планет. Знайти його, особливо в первозданному вигляді (тобто не піддався процесам диференціації, сильному нагріву і зміні хімічного складу), в сучасній Сонячній Системі дуже складно - занадто багато часу пройшло після її утворення. Проте це можливо - частинки протосолнечної туманності можна відшукати в так званих «примітивних» тілах - невеликих астероїдах або кометах, що утворилися на околицях Сонячної системи, а також у метеоритах типу хондритів, що потрапляють на Землю.

З точки зору хімії, елементний склад таких метеоритів близький до складу Сонця, а вік оцінюється більш ніж в 4,5 мільярда років, що майже відповідає віку нашої планетної системи. Однак на Землі існує небезпека забруднення речовини метеорита (та й сильний нагрів при польоті крізь атмосферу може негативно позначитися на складі). Що ж стосується складу малих тіл Сонячної системи, то його вивчення за допомогою тільки бортових засобів міжпланетних станцій не завжди допомагає повністю розкрити всі загадки «хімії» планетних систем. Тому дослідників цікавить можливість в земних умовах попрацювати з речовиною, безпосередньо доставленою з астероїдів і комет.

Саме це і є головною метою місії «Хаябуса-2» - привезти земним вченим зразки ґрунту з астероїда С-класу, які вважаються одними з найбільш стародавніх тіл Сонячної системи і джерелом метеоритів типу вуглистих хондритів. Ми не випадково сказали «головною» - насправді цілей у місії відразу дві. Крім наукових досліджень, японських дослідників цікавить і суто практичне завдання - розвиток технології повертаних автоматичних міжпланетних місій і технологій промислового освоєння і розробки надр астероїдів у Сонячній системі, які можуть отримати розвиток у майбутньому при пілотованих польотах у дальній космос.

Мета

Щоб дізнатися більше про походження та еволюцію Сонячної системи, необхідно дослідити різні типи астероїдів, а потім провести їх порівняльний аналіз. Попередник «Хаябуси-2» - місія «Хаябуса» (або MUSES-C), яка працювала в 2003-2010 роках, досліджувала навколоземний астероїд S-класу (25143) Ітокава і вперше в історії успішно доставила зразок його грунту на Землю, незважаючи на невдачі, що переслідували станцію, - вийшли з ладу один з іонних двигунів і два з чотирьох маховиків в системі орієнтації, спускається модуль замість приземлення на поверхню астероїда відскочив від неї і полетів назад у космос, а обидві спроби паркану грунту пройшли зі збоями. Тим не менш, станція виконала своє завдання, а інженери отримали суворий, але потрібний досвід.

Однак існує ще більш стародавній, поширений і цікавий тип астероїдів - С-клас, який характеризується підвищеним вмістом вуглецевмісних або гідратованих мінералів і може полягати в собі недоторканна речовина протосолнечної туманності. Астероїд такого класу (162173) Рюгу і був обраний як мета. Він був відкритий в рамках проекту LINEAR в травні 1999 року і входить до групи навколоземних астероїдів типу Аполлони. Його орбіта має витягнуту форму і перетинає орбіти Землі і Марса, а діаметр оцінюється приблизно в 900 метрів.

Радіолокаційні спостереження показували, що форма астероїда 162173 Рюгу близька до сферичної, а альбедо поверхні дуже низьке. Орбіта астероїда виявилася відповідною, щоб дозволити космічному апарату відвідати його, а потім повернутися на Землю, що стало другим вирішальним критерієм при виборі мети для «Хаябуси-2».

План

Подорож до астероїда Рюгу почалася 3 грудня 2014 року, коли з космодрому Танегасіма стартувала ракета-носій H-IIA, яка вивела «Хаябусу-2» в космос. Загалом апарат пролетів 3,2 мільярда кілометрів, хоча зустріч з астероїдом відбулася всього за 280 мільйонів кілометрів від Землі.

Настільки довга траєкторія пояснюється трьома витками по орбіті навколо Сонця, в ході яких апарат успішно завершив гравітаційний маневр поблизу Землі в 2015 році і три періоди набору швидкості за допомогою своїх іонних двигунів, щоб наздогнати астероїд і вийти на орбіту навколо нього. На початку червня 2018 року, за три тисячі кілометрів від Рюгу, станція вимкнула свою рухову установку і почала фазу підльоту до астероїда, яка включала в себе отримання навігаційних знімків і дев'ять корекцій траєкторії.

Коли «Хаябуса-2» наблизилася до астероїда на 2100 кілометрів, почався кропіткий пошук можливих невеликих супутників Рюгу - завдання важливе не стільки для науки, скільки для безпеки апарату. Через малі розміри Рюгу його сфера Хілла (область, на яку поширюється його гравітаційний вплив) простягається на відстань до 90 кілометрів. Супутники виявлені не були, проте наявність тіл діаметром менше 50 сантиметрів не виключається, тому пошук надалі можуть повторити.

Чим ближче станція підлітала до астероїда, тим більше наростав інтерес до нього команди інженерів і вчених. Перші досить чіткі знімки показали, що оцінки діаметра Рюгу (близько 900 метрів) і періоду його обігу навколо своєї осі (7,5 години), зроблені на основі наземних спостережень, виявилися вірними. Оцінки форми в міру наближення станції до Рюгу постійно змінювалися - спочатку астероїд здавався схожим на японські пельмені Данго, потім на кубик і, нарешті, на кристал флюориту. Разом з формою всі виразностей ставали видні і деталі поверхні: великі кратери (найбільший має діаметр близько 200 метрів) і западини, групи валунів на поверхні, екваторіальний гірський хребет, а також 150-метрова скеля на північному полюсі астероїда. При цьому виявилося, що скеля на полюсі і екваторіальний хребет виглядають набагато яскравіше, ніж навколишня їх поверхня, що може говорити про відмінності в мінеральному складі.

Все це свідчить про те, що Рюгу пройшов складний еволюційний шлях і міг утворитися при руйнуванні більш великого об'єкта. Вісь обертання астероїда майже перпендикулярна площині екліптики, а напрямок його обертання має ретроградний характер, тобто протилежний напрямку обертання більшості планет і Сонця в нашій системі (крім Венери і Урану, які теж обертаються «не в той» бік).

Зараз станція знаходиться на стабільній 20-кілометровій орбіті навколо астероїда, і всі системи працюють у штатному режимі. Сигнал від неї до Землі добирається за 15 хвилин. Залишок літа «Хаябуса-2» присвятить вивченню Рюгу і його гравітаційного поля з орбіти, зближуючись з астероїдом до відстані в один кілометр. На початку жовтня планується вперше висадити на поверхню астероїда апарат MASCOT і один або більше з трьох посадкових модулів MINERVA-II, потім, в кінці року, настане період радіомовчання, протягом якого Сонце буде заважати зв'язку зі станцією.

У січні 2019 року робота станції відновиться. Планується здійснити ще кілька зближень з Рюгу, а також вистрілити по його поверхні спеціальним пристроєм, завдяки якому дослідники отримають можливість взяти пробу підповерхнісного шару грунту астероїда.

У листопаді-грудні 2019 року станція ляже на зворотний курс до Землі і скине капсулу з речовиною астероїда в атмосферу в грудні 2020 року.

Інструментарій

Науковий арсенал, за допомогою якого апарат буде вивчати астероїд, досить великий. У нього входить оптична система ONC (Optical Navigation Camera), що складається з камери з довгофокусним об'єктивом і двох - з короткофокусними, що дозволяє отримувати як навігаційні знімки, що допомагають у правильному орієнтуванні апарату і корекції його траєкторії, так і знімки поверхні астероїда. Ще станція забезпечена інфрачервоною камерою TIR (Thermal Infrared Camera), призначеною для визначення температури поверхні астероїда в різних областях і його теплової інерції. Велика різниця в температурах поверхні на освітлених і нічних областях вкаже на більш пухкий або дрібнодисперсний грунт.

У корисне навантаження також входять інфрачервоний спектрометр NIRS3 (Near-infrared spectrometer), призначений для пошуку водяного льоду і визначення хімічного складу поверхні Рюгу, а також лазерний альтиметр і чотири модулі: MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout) і три невеликих MINERVA-II, які будуть скинуті з борту орбітального апарату під час зближень з астероїдом. Вони призначені для вивчення фізичних і хімічних властивостей поверхні.

Паркан ґрунту буде проводитися за допомогою декількох інструментів наступним чином. Спочатку «Хаябуса-2» зблизиться з поверхнею астероїда і на висоті 500 метрів вистрілить у поверхню пенетратором SCI (Small Carry-on Impactor), що складається з мідного снаряда масою 2,5 кілограма і 4,5-кілограмового заряду вибухової речовини. Передбачається, що снаряд вріжеться в поверхню Рюгу на швидкості два кілометри на секунду, за вибухом спостерігатиме камера DCAM3. Ударний кратер стане місцем подальшої наукової роботи орбітального апарату, який спочатку досліджуватиме оголені підповерхневі шари дистанційно, а потім наблизиться і за допомогою спеціального пристрою візьме пробу ґрунту з кратера. Далі проба буде поміщена в капсулу, що повертається на Землю. Місце скидання пенетратора, як і місця висадки модулів, поки не визначені, це стане темою подальших обговорень серед команди місії.

«Хаябуса-2» - не перший і не останній проект дослідження ґрунту малих тіл Сонячної системи. У липні 2005 року подібне бомбардування поверхні комети 9Р/Темпеля провів космічний апарат Deep Impact, правда, тоді паркан грунту не проводився, а всі спостереження велися дистанційно. У 2006 році на Землю повернулася капсула міжпланетної станції «Стардаст», яка несла в собі частинки коми комети 81Р/Вільда, укладені в аерогель. А наступного року космічний апарат OSIRIS-REx повинен досягти астероїда Бенну і отримати зразок його ґрунту, який він доставить на Землю до 2023 року.