Собрать прошлое по крупицам

В среду, 27 июня, автоматическая межпланетная станция «Хаябуса-2» после четырехлетнего космического путешествия, наконец, прибыла к своей цели — астероиду 162173 Ryugu. Следующие полтора года она проведет в окрестностях этого астероида, занимаясь его изучением как с орбиты, так и при помощи спускаемого модуля. Предполагается, что станция произведет забор грунта, который через пять лет будет доставлен на Землю в герметичной капсуле. Редакция N + 1 решила разобраться, как будет проходить основной этап миссии и чем же небольшое, невзрачное небесное тело на орбите между Землей и Марсом так заинтересовало ученых.

Как зародилась Солнечная система и как в ней возникла жизнь — эти два вопроса уже долгое время интересуют ученых. За последний десяток лет наши представления о формировании и эволюции планетных систем существенно обогатились благодаря наблюдению за другими звездными системами, как уже сформировавшимися, так и только рождающимися. Однако помимо физических процессов, понять которые позволяют модели, построенные на основе наблюдаемых данных, исследователей интересует «химия» — каким может быть состав планет и их атмосфер и как он зависит от места образования планеты и от возраста и состава звезды.

В случае нашей планетной системы понимание химических процессов может помочь ответить на вопрос, как образовалась наша Земля и другие планеты и откуда на ней появились «стройматериалы» для возникновения жизни, такие как вода и органические вещества.

Космическая химия

«Химию» планетных систем можно изучать по-разному — дистанционно, проводя спектроскопический анализ излученного или поглощенного света атмосферами или поверхностями планет или протопланетных дисков, или изучая вещество, оставшееся после формирования планет. Найти его, особенно в первозданном виде (т.е. не подвергнувшееся процессам дифференциации, сильному нагреву и изменению химического состава), в современной Солнечной Системе весьма сложно — слишком много времени прошло после ее образования. Тем не менее, это возможно — частицы протосолнечной туманности можно отыскать в так называемых «примитивных» телах — небольших астероидах или кометах, образовавшихся на окраинах Солнечной системы, а также в метеоритах типа хондритов, попадающих на Землю.

С точки зрения химии, элементный состав таких метеоритов близок к составу Солнца, а возраст оценивается более чем в 4,5 миллиарда лет, что почти соответствует возрасту нашей планетной системы. Однако на Земле существует опасность загрязнения вещества метеорита (да и сильный нагрев при полете сквозь атмосферу может негативно сказаться на составе). Что же касается состава малых тел Солнечной системы, то его изучение при помощи только бортовых средств межпланетных станций не всегда помогает полностью раскрыть все загадки «химии» планетных систем. Поэтому исследователей интересует возможность в земных условиях поработать с веществом, напрямую доставленным с астероидов и комет.

Именно это и является главной целью миссии «Хаябуса-2» — привезти земным ученым образцы грунта с астероида С-класса, которые считаются одними из наиболее древних тел Солнечной системы и источником метеоритов типа углистых хондритов. Мы не случайно сказали «главной» — на самом деле целей у миссии сразу две. Помимо научных изысканий, японских исследователей интересует и сугубо практическая задача — развитие технологии возвращаемых автоматических межпланетных миссий и технологий промышленного освоения и разработки недр астероидов в Солнечной системе, которые могут получить развитие в будущем при пилотируемых полетах в дальний космос.

Цель

Чтобы узнать больше о происхождении и эволюции Солнечной системы, необходимо исследовать разные типы астероидов, а затем провести их сравнительный анализ. Предшественник «Хаябусы-2» — миссия «Хаябуса» (или MUSES-C), работавшая в 2003-2010 годах, исследовала околоземный астероид S-класса (25143) Итокава и впервые в истории успешно доставила образец его грунта на Землю, несмотря на неудачи, преследовавшие станцию, — вышли из строя один из ионных двигателей и два из четырех маховиков в системе ориентации, спускаемый модуль вместо приземления на поверхность астероида отскочил от нее и улетел обратно в космос, а обе попытки забора грунта прошли со сбоями. Тем не менее, станция выполнила свою задачу, а инженеры получили суровый, но нужный опыт.

Однако существует еще более древний, распространенный и интересный тип астероидов — С-класс, который характеризуется повышенным содержанием углеродосодержащих или гидратированных минералов и может заключать в себе нетронутое вещество протосолнечной туманности. Астероид подобного класса (162173) Рюгу и был выбран в качестве цели. Он был открыт в рамках проекта LINEAR в мае 1999 года и входит в группу околоземных астероидов типа Аполлоны. Его орбита имеет вытянутую форму и пересекает орбиты Земли и Марса, а диаметр оценивается примерно в 900 метров.

Радиолокационные наблюдения показывали, что форма астероида 162173 Рюгу близка к сферической, а альбедо поверхности очень низкое. Орбита астероида оказалась подходящей, чтобы позволить космическому аппарату посетить его, а затем вернуться на Землю, что стало вторым решающим критерием при выборе цели для «Хаябусы-2».

План

Путешествие к астероиду Рюгу началось 3 декабря 2014 года, когда с космодрома Танэгасима стартовала ракета-носитель H-IIA, которая вывела «Хаябусу-2» в космос. В общей сложности аппарат пролетел 3,2 миллиарда километров, хотя встреча с астероидом произошла всего в 280 миллионах километров от Земли.

Столь длинная траектория объясняется тремя витками по орбите вокруг Солнца, в ходе которых аппарат успешно завершил гравитационный маневр вблизи Земли в 2015 году и три периода набора скорости при помощи своих ионных двигателей, чтобы догнать астероид и выйти на орбиту вокруг него. В начале июня 2018 года, в трех тысячах километров от Рюгу, станция выключила свою двигательную установку и начала фазу подлета к астероиду, которая включала в себя получение навигационных снимков и девять коррекций траектории.

Когда «Хаябуса-2» приблизилась к астероиду на 2100 километров, начался кропотливый поиск возможных небольших спутников Рюгу — задача важная не столько для науки, сколько для безопасности аппарата. Из-за малых размеров Рюгу его сфера Хилла (область, на которую распространяется его гравитационное влияние) простирается на расстояние до 90 километров. Спутники обнаружены не были, однако наличие тел диаметром менее 50 сантиметров не исключается, поэтому поиск в дальнейшем могут повторить.

Чем ближе станция подлетала к астероиду, тем больше нарастал интерес к нему команды инженеров и ученых. Первые достаточно четкие снимки показали, что оценки диаметра Рюгу (около 900 метров) и периода его обращения вокруг своей оси (7,5 часа), сделанные на основе наземных наблюдений, оказались верными. Оценки формы по мере приближения станции к Рюгу постоянно менялись — вначале астероид казался похожим на японские пельмени Данго, затем на кубик и, наконец, на кристалл флюорита. Вместе с формой все отчетливей становились видны и детали поверхности: крупные кратеры (самый большой имеет диаметр около 200 метров) и впадины, группы валунов на поверхности, экваториальный горный хребет, а также 150-метровая скала на северном полюсе астероида. При этом оказалось, что скала на полюсе и экваториальный хребет выглядят гораздо ярче, чем окружающая их поверхность, что может говорить о различиях в минеральном составе.

Все это свидетельствует о том, что Рюгу прошел сложный эволюционный путь и мог образоваться при разрушении более крупного объекта. Ось вращения астероида почти перпендикулярна плоскости эклиптики, а направление его вращения имеет ретроградный характер, то есть противоположно направлению вращения большинства планет и Солнца в нашей системе (кроме Венеры и Урана, которые тоже вращаются «не в ту» сторону).

Сейчас станция находится на стабильной 20-километровой орбите вокруг астероида, и все системы работают в штатном режиме. Сигнал от нее до Земли добирается за 15 минут. Остаток лета «Хаябуса-2» посвятит изучению Рюгу и его гравитационного поля с орбиты, сближаясь с астероидом до расстояния в один километр. В начале октября планируется впервые высадить на поверхность астероида спускаемый аппарат MASCOT и один или более из трех посадочных модулей MINERVA-II, затем, в конце года, наступит период радиомолчания, на протяжении которого Солнце будет мешать связи со станцией.

В январе 2019 года работа станции возобновится. Планируется осуществить еще несколько сближений с Рюгу, а также выстрелить по его поверхности специальным устройством, благодаря которому исследователи получат возможность взять пробу подповерхностного слоя грунта астероида.

В ноябре-декабре 2019 года станция ляжет на обратный курс к Земле и сбросит капсулу с веществом астероида в атмосферу в декабре 2020 года.

Инструментарий

Научный арсенал, при помощи которого аппарат будет изучать астероид, достаточно обширен. В него входит оптическая система ONC (Optical Navigation Camera), состоящая из камеры с длиннофокусным объективом и двух — с короткофокусными, позволяющая получать как навигационные снимки, помогающие в правильном ориентировании аппарата и коррекции его траектории, так и снимки поверхности астероида. Еще станция снабжена инфракрасной камерой TIR (Thermal Infrared Camera), предназначенной для определения температуры поверхности астероида в различных областях и его

. Большая разница в температурах поверхности на освещенных и ночных областях укажет на более рыхлый или мелкодисперсный грунт. 

В полезную нагрузку также входят инфракрасный спектрометр NIRS3 (Near-infrared spectrometer), предназначенный для поиска водяного льда и определения химического состава поверхности Рюгу, а также лазерный альтиметр и четыре спускаемых модуля: MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout) и три небольших MINERVA-II, которые будут сброшены с борта орбитального аппарата во время сближений с астероидом. Они предназначены для изучения физических и химических свойств поверхности.

Забор грунта будет производиться при помощи нескольких инструментов следующим образом. Вначале «Хаябуса-2» сблизится с поверхностью астероида и на высоте 500 метров выстрелит в поверхность пенетратором SCI (Small Carry-on Impactor), состоящим из медного снаряда массой 2,5 килограмма и 4,5-килограммового заряда взрывчатого вещества. Предполагается, что снаряд врежется в поверхность Рюгу на скорости два километра в секунду, за взрывом будет наблюдать камера DCAM3. Ударный кратер станет местом дальнейшей научной работы орбитального аппарата, который вначале будет исследовать обнажившиеся подповерхностные слои дистанционно, а затем приблизится и при помощи специального устройства возьмет пробу грунта из кратера. Далее проба будет помещена в возвращаемую на Землю капсулу. Место сброса пенетратора, как и места высадки модулей, пока не определены, это станет темой дальнейших обсуждений среди команды миссии.

«Хаябуса-2» — не первый и не последний проект по исследованию грунта малых тел Солнечной системы. В июле 2005 года подобную бомбардировку поверхности кометы 9P/Темпеля провел космический аппарат Deep Impact, правда, тогда забор грунта не производился, а все наблюдения велись дистанционно. В 2006 году на Землю вернулась спускаемая капсула межпланетной станции «Стардаст», которая несла в себе частицы комы кометы 81P/Вильда, заключенные в аэрогель. А в следующем году космический аппарат OSIRIS-REx должен достичь астероида Бенну и получить образец его грунта, который он доставит на Землю к 2023 году.

Александр Войтюк