Основы научных исследований

Цереру открыл в ночь на 1 января 1801 г. с помощью телескопа, установленного на краше королевского дворца в Палермо, итальянский астроном Джузеппе Пиации (Giuseppe Piazzi).

По данным, опубликованным в 2005-2006 гг., эта карликовая планета имеет форму сфероида с экваториальным диаметром 975 км и полярным диаметром 909 км. Масса Цереры примерно в 77 раз легче нашей Луны, которая, в свою очередь, в 81 раз легче Земли. Церера обращается вокруг оси с периодом 9.076 час.

Средняя плотность Цереры невелика : 2.10 г/см3. Ее отражательная способность составляет 10% - значительно больше, чем у астероидов хондритового класса, но меньше, чем у ледяных спутников планет-гигантов. Имеются указания на то, что Церера прошла стадию дифференциации: ее внутренние области состоят из более плотного материала, чем мощная аммиачно-ледяная мантия. В зависимости от того, из какого именно вещества сложено ядро, на ледяной слой приходится от 70 до120 км и 17-27 % общей массы Цереры. Эти летучие компоненты, вероятно, сохраняют в себе свидетельства о состоянии Солнечной системы в период формирования планет. Не исключено, что между ядром и ледяной корой есть жидкий океан, как на Европе.

Поверхность Цереры, судя по наблюдениям "Хаббла", сравнительно гладка, однако отдельные крупные участки существенно отличаются по отражающей способности от остальной части астероида. Один из таких участков назван Пиации, в честь первооткрывателя Цереры. Не исключено наличие на минипланете разломов и трещин, образовавшихся при плавлении и обратном затвердевании льда.

 Астероид Веста нашел 29 марта 1807 г. немецкий астроном Генрих  Ольберс (Heinrich Olbers), работавший в Бремене. Четвертая по счету малая планета по своим размерам делит 2-е и 3-е место с Палладой, но по массе значительно превосходит ее. Размеры осей эллипсоида, равного Весте по объему, - 578x560x458 км. Масса астероида оценивается в (2.75 - 2.99)*1020 кг и составляет 30% от массы Цереры.

Замечательна средняя плотность вещества Весты - 3.44 г/см3, практически такая же, как у Луны и у силикатных пород. Несмотря на свой малый размер, Веста, вероятно, имеет железно-никелевое ядро и оливиновую мантию, но в ходе своей эволюции полностью потеряла летучие компоненты. Веста делает оборот вокруг оси за 5.342 час и имеет очень яркую поверхность - ее альбедо 42%. Восточное полушарие при этом еще более светлое, а западное - более темное; предполагается, что первое аналогично плоскогорьям, а второе - базальтовым морям Луны. Наиболее темное пятно диаметром около 200 км получило название Ольберс.

Снимки "Хаббла" показывают, что Веста имела в своей истории столкновение с другим очень крупным объектом, от которого остался кратер (точнее сказать - астроблема) диаметром 460 км, занимающий почти все южное полушарие астероида. Дно кратера лежит на 13 км ниже средней поверхности, а гребень поднимается над ней на 4-12 км. Центральная "горка" имеет высоту 18 км - вдвое выше Эвереста. Очевидно, в месте удара материал мантии Весты был вынесен на поверхность (зафиксированы спектральные признаки оливина), и его изучение - как и исследование ледяной коры Цереры - представляет исключительный интерес.

В результате этой катастрофы образовалось множество мелких астероидов на орбитах, близких к орбите Весты и сходных с ней по спектральным характеристикам. Более того, около 6% найденных на Земле метеоритов (говардиты, эвкриты и диогениты) имеют такие же характеристики и могут быть обломками Весты. В них находят древнейшие базальты возрастом до 4.5-4.6 млрд. лет.

АМС оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями, разработанными на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1. Каждый двигатель имеет тягу 30 мН и удельный импульс 3100 с; одновременно возможна работа одного двигателя. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полёт Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полёт Веста — Церера — 110 кг. При нормальной работе ионные двигатели "Dawn" обеспечивают прирост в скорости на 97 км/ч (60 миль/ч) за каждые 4 дня.

Следующие исследовательские инструменты расположены на Dawn:

• Отдельно размещённые две чёрно-белые ПЗС-матрицы (1024×1024 пикселя) с двумя объективами (D = 19 мм, F = 150 мм), каждая ПЗС-камера с набором из 7 узкополосных цветных фильтров + пустое поле; поле зрения у каждой камеры 5,5×5,5 градусов; выдержки от 0,001 сек до 3,5 часов.

• GRaND — детектор нейтронов и гамма-квантов.

• VIR (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) — спектрометр видимого и инфракрасного диапазонов, предназначен для анализа состава поверхности Весты и Цереры. Инструмент является модификацией спектрометров, применявшихся на космических зондах "Розетта" и "Венера-экспресс". Инструмент регистрирует интенсивность освещения каждого пикселя матрицы для 400 различных длин волн в видимом и инфракрасном диапазоне. Прибор предоставлен Итальянским космическим агентством.

События проекта Dawn:

Прошедшие:

1. 2009 год:

• Февраль — «Dawn» прошёл мимо Марса, ускорившись вследствие гравитационного манёвра с выходом из плоскости эклиптики.

2. 2011 год:

• 3 мая — зонд сделал первую фотографию Весты с расстояния около 1,21 млн. км.

• 16 июля 01:00 EDT — Совершив почти два оборота вокруг Солнца, "Dawn" достиг Весты и перешёл на её круговую орбиту с высотой 16 000 км.

• 17 июля — "Dawn" сделал первое изображение Весты с её орбиты.

• 12 декабря — АМС спустился на самую низкую из предусмотренных в рамках его миссии орбит вокруг астероида Весты. Средняя высота орбиты составила 210 км. Планировалось, что зонд проработает в таком режиме как минимум 10 недель. Основные задачи зонда на текущем этапе полёта: точные измерения гравитационного поля для определения распределения массы в недрах астероида; регистрация детектором GRaND спектра нейтронов и гамма-квантов, рождающихся при взаимодействии космических лучей с поверхностью Весты, для определения элементного состава вещества на поверхности астероида.

• 13 декабря — зонд отправил на Землю первые фотографии Весты с максимально возможным разрешением (до 23 м/пиксель). Больше недели ушло на обработку данных. Все собранные фотографии будут использованы для создания карты Весты высокого разрешения.

3. 2012 год:

• 5 сентября — "Dawn" покинул Весту и отправился ко второму пункту назначения — Церере.

4. 2014 год:

• 2 ноября "Dawn" находился в 0,0175 а. e. от Цереры и 3,652 а. e. от Земли. Свет проходит это расстояние примерно за 31 минуту.

Планируемые:

В апреле 2015 года «Dawn» должен достичь Цереры и проработать на её орбите до июля 2015 года.

 

 

 

 

 

 

2. Космический аппарат "Розетта"

"Начиная этот  проект, мы совершенно не представляли многих деталей процесса, — говорит Стефан Уламек. — Никто раньше не совершал посадку на комету, и мы до сих пор не знаем, какова ее поверхность: то ли она твердая, как лед, то ли рыхлая, как свежевыпавший снег, то ли что-то промежуточное".

"Розетта" (англ. Rosetta) — космический аппарат, предназначенный для исследования кометы. Разработан и изготовлен Европейским космическим агентством. Состоит из двух частей: собственно зонда "Розетта" (англ. Rosetta space probe) и спускаемого аппарата "Филы" (англ. Philae lander) .

Название зонда происходит от знаменитого Розеттского камня — каменной плиты с выбитыми на ней тремя идентичными по смыслу текстами, два из которых написаны на древнеегипетском языке (один — иероглифами, другой — демотическим письмом), а третий написан на древнегреческом языке. Сравнивая тексты Розеттского камня, учёные смогли расшифровать древнеегипетские иероглифы; с помощью космического аппарата "Розетта" ученые надеются узнать, как выглядела Солнечная система до того, как сформировались планеты.

Название спускаемого аппарата также связано с расшифровкой древнеегипетских надписей. На острове Филы на реке Нил был найден обелиск с иероглифической надписью, упоминающей царя Птолемея VIII и цариц Клеопатру II, и Клеопатру III. Надпись, в которой ученые распознали имена "Птолемей" и "Клеопатра", помогла расшифровать древнеегипетские иероглифы.

В 1986 году в истории исследования космического пространства произошло знаменательное событие: на минимальное расстояние к Земле подошла комета Галлея. Её исследовали космические аппараты разных стран: это и советские "Вега-1" и "Вега-2", и японские "Суйсэй" и "Сакигакэ", и европейский зонд "Джотто". Учёные получили ценнейшую информацию о составе и происхождении комет.

Однако осталось нераскрытым множество вопросов, поэтому NASA и ЕКА начали совместную работу над новыми космическими исследованиями. NASA сосредотачивало усилия над программой пролёта астероида и встречи с кометой (англ. Comet Rendezvous Asteroid Flyby, сокращённо CRAF). ЕКА разрабатывало программу возвращения образца ядра кометы (англ. Comet Nucleus Sample Return — CNSR), которая должна была осуществляться после программы CRAF. Новые космические аппараты планировалось сделать на стандартной платформе Mariner Mark II, что сильно сокращало расходы. В 1992 году, однако, NASA прекратило разработку CRAF из-за бюджетных ограничений. ЕКА стало рассматривать NASA как ненадёжного партнёра, и начало самостоятельную разработку КА. К 1993 году стало ясно, что с существующим бюджетом ЕКА полёт к комете с последующим возвращением образцов грунта невозможен, поэтому программу аппарата подвергли большим изменениям. Окончательно она выглядела так: сближение аппарата сначала с астероидами, а потом с кометой, а затем — исследования кометы, в том числе мягкая посадка спускаемого аппарата.

Космический аппарат запущен 2 марта 2004 года к комете 67P/Чурюмова — Герасименко. "Розетта" — первый космический аппарат, который вышел на орбиту кометы. Кроме того, в рамках программы года произошла первая в мире мягкая посадка спускаемого аппарата на поверхность кометы (12 ноября 2014). Посадочный модуль сконструирован так, чтобы закрепиться на почти любой поверхности. После отделения от аппарата Rosetta и гашения орбитальной скорости модуль Philae начал спуск к комете под действием ее небольшой силы тяжести, после чего совершил посадку на скорости примерно 1 м/с. В этот момент было очень важно предотвратить "отскок" аппарата и закрепить его на поверхности кометы, и для этого было предусмотрено несколько различных систем. Толчок при касании посадочных опор был погашен центральным электродинамическим амортизатором, в этот же момент заработало сопло на верхнем торце Philae, реактивная тяга от выброса сжатого газа прижала аппарат к поверхности на несколько секунд, пока он  выбрасывал два гарпуна — размером с карандаш — на тросах. Длины тросов (около 2 м) хватило, чтобы гарпуны надежно держали, даже если поверхность покрыта слоем рыхлого снега или пыли. На трех посадочных опорах расположены ледобуры, которые ввинчиваются в лед при посадке. Все эти системы были опробованы на симуляторе посадки немецкого космического агентства (DLR) в Бремене — и на твердых, и на рыхлых поверхностях, и ученые надеялись, что они не подведут и в реальных условиях.

Изначально запуск «Розетты» был запланирован на 12 января 2003 года. Целью исследований была выбрана комета 46P/Виртанена.

Однако в декабре 2002 года произошёл отказ двигателей при запуске ракеты-носителя "Ариан-5". Из-за недостаточной надёжности ракеты-носителя запуск космического аппарата "Розетта" был отложен, после чего для него была разработана новая программа полёта.

Новый план предусматривал полёт к комете 67P/Чурюмова — Герасименко, со стартом 26 февраля 2004 года и встречей с кометой в 2014 году. После двух отменённых попыток запуска "Розетта" была запущена 2 марта 2004 года в 7:17 UTC с космодрома Куру во Французской Гвиане. В качестве почётных гостей на запуске присутствовали первооткрыватели кометы профессор Киевского университета Клим Чурюмов и научный сотрудник Института астрофизики Академии наук Таджикистана Светлана Герасименко. Кроме изменения времени и цели, программа полёта практически не изменилась. Как и прежде, "Розетта" должна была приблизиться к комете и запустить к ней спускаемый аппарат "Филы".

"Филы" должен был подойти к комете с относительной скоростью около 1 м/с и при контакте с поверхностью выпустить два гарпуна, так как слабая гравитация кометы не способна удержать аппарат, и он может просто отскочить. После посадки "Филы" было запланировано начало выполнения научной программы:

• определение параметров ядра кометы;

• исследование химического состава;

• изучение изменения активности кометы со временем.

Рис.2. Программа полета

 

1 — март 2004: запуск КА 
2 — март 2005: первый пролёт у Земли 
3 — февраль 2007: пролёт у Марса 
4 — ноябрь 2007: второй пролёт у Земли 
5 — сентябрь 2008: сближение с астероидом Штейнс 
6 — ноябрь 2009: третий пролёт у Земли 
7 — июль 2010: сближение с астероидом Лютеция 
8 — июль 2011: перевод КА в режим сна 
9 — январь 2014: пробуждение КА 
10 — август 2014: выход на орбиту кометы 
11 — ноябрь 2014: посадка спускаемого аппарата на поверхность кометы 
12 — декабрь 2015: завершение миссии

 

Стоит заметить, что программа полёта "Розетты" весьма сложна. Она включала четыре гравитационных манёвра около Земли и Марса, причём даже небольшие отклонения могли повлиять на успех.

Общая масса спускаемого аппарата — 100 кг. Полезная нагрузка массой 26,7 кг состоит из десяти научных приборов. Спускаемый аппарат спроектирован для общей сложности 10 экспериментов по изучению структурных, морфологических, микробиологических и других свойств ядра кометы. Основу аналитической лаборатории спускаемого аппарата составляют пиролизёры, газовый хроматограф и масс-спектрометр.