Вскрытие «капсулы времени»

По мнению учёных, ядра комет несут в своём составе «исходное вещество» в том виде, в котором оно находилось при возникновении Солнечной системы. Есть основания считать, что кометы являются самыми старыми её объектами — они формировались на периферии протопланетного облака и могли занести на древнюю Землю воду и органические соединения, из которых впоследствии образовалась жизнь. Множество фундаментальных вопросов о возникновении и эволюции комет до сих пор не имеют ответа, поэтому данная экспедиция крайне важна. В том числе и потому, что помогает раскрыть тайны прошлого нашего собственного дома.

Проект Rosetta — плод работы над новыми направлениями исследований, проводимой совместно Национальным управлением по аэронавтике и изучению космического пространства (NASA) и Европейским космическим агентством ЕКА в конце 1980-х — начале 1990-х годов. Американцы планировали выполнить пролёт астероида и встречу с кометой, европейцы прорабатывали аппарат для возвращения на Землю образцов ядра.

Кометы — ключ к тайнам происхождения Солнечной системы

Новые зонды предполагалось сделать на стандартизированной платформе Mariner Mark II, однако в 1992 году NASA прекратило разработку из-за бюджетных ограничений. Европейцы продолжили работу самостоятельно, вскоре поняв, что возвращение образцов «не по зубам»: программу существенно видоизменили — аппарат должен был сначала сблизиться с астероидом, а потом с кометой, завершив миссию исследованиями с близкого расстояния и посадкой на ядро.

Начальная концепция миссии претерпела существенные изменения

Проект, утверждённый Комитетом научных программ ЕКА 4—5 ноября 1993 года, получил название Rosetta в честь Розеттского камня — плиты, найденной в Египте в 1799 году солдатом армии Наполеона. На плите обнаружились три идентичных по смыслу текста, два на древнеегипетском языке (один — иероглифами, другой — демотическим письмом), а третий — на древнегреческом. Насколько трёхъязычная надпись позволила основателю египтологии Жану-Франсуа Шампольону (Jean-Francois Champollion) проникнуть в тайну древнеегипетской письменности, настолько данные, принесённые зондом Rosetta, должны были помочь раскрыть историю происхождения Солнечной системы.

Розеттский камень, найденный в Египте в 1799 году

Первоначально на станцию планировалось поставить два посадочных аппарата — германский RoLand и американо-французский Champollion, но в процессе разработки стало понятно, что оставить можно лишь один и его предстоит выбрать по конкурсу. В конце 1996 года по этой причине NASA отказалось от участия в работе. Оставшийся «лэндер» был сделан под руководством Германского центра авиации и космонавтики (DLR — Deutschen Zentrums fur Luft- und Raumfahrt) при участии исследовательских организаций Австрии, Британии, Венгрии, Ирландии, Италии, Финляндии и Франции.

Основной целью экспедиции, которая планировалась на 2003 год, назначалась комета 46P/Виртанена, открытая 17 января 1948 года американцем Карлом Виртаненом (Carl Alvar Wirtanen) на снимке, сделанном в Ликской обсерватории. Однако по причинам, связанным с сомнениями в надёжности ракеты-носителя, запуск отложили. К комете Виртанена зонд уже не успевал, и его переориентировали на комету 67P/Чурюмова — Герасименко, а время старта перенесли на 2004 год. Цели и задачи программы в общем не изменились: зонд сближается с кометой и высаживает на её ядро посадочный аппарат. Последний определяет параметры и исследует химический состав ядра, а также вместе с обращающимся неподалёку пролётным зондом изучает изменения активности кометы со временем.

Исходно целью миссии была комета 46P/Виртанена

Когда надёжность носителя была подтверждена, в марте 2004 года Rosetta стартовала. За месяц до этого, 5 февраля, посадочный зонд получил новое имя «Филы» (Philae) — так называется остров на Ниле вблизи города Розетта, где был найден обелиск с иероглифической надписью, упоминающей царя Птолемея VIII и цариц Клеопатру II и Клеопатру III. Эти имена стали для Шампольона ключом к расшифровке иероглифов. Хотя латинское название острова звучит как «Фила́е», участники программы произносят имя посадочного аппарата как «Филе́й» — что, согласитесь, несколько странно для русского уха...

Внешне Rosetta похожа на обычный геостационарный спутник связи: характерный «ящик» размером 2,8 × 2,1 × 2,0 м с двумя панелями солнечных батарей (их размах в раскрытом состоянии достигает 32 м). Межпланетная станция стартовой массой 3065 кг оснащена двигательной установкой с запасом топлива 1719 кг, которая обеспечивала все манёвры на траектории и выход на орбиту вокруг ядра кометы.

Станция в транспортировочном положении перед установкой на ракету-носитель

Научная аппаратура массой 165 кг включает 11 приборов и инструментов:

• комплекс OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) для детальной съёмки ядра и газопылевой оболочки кометы, а также астероидов;
• видовой ультрафиолетовый (УФ) спектрометр ALICE для анализа газового состава комы (части головы кометы) и хвоста, включая нахождение скорости образования H₂O, CO и CO₂;
• картирующий спектрометр видимого и теплового инфракрасного (ИК) диапазона VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) для исследования свойств грунта и выделяющихся газов;
• микроволновой зонд MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter) для определения подповерхностной температуры ядра кометы и астероидов, а также измерения газовых компонентов комы (H₂O, CO, NH₃, CH₃OH) и скорости их образования;
• спектрометр ионов и нейтральных атомов ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) для определения элементного, изотопного и молекулярного состава комы;
• масс-спектрометр вторичных ионов COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyser) для определения элементного и изотопного состава пылинок, происходящих из ядра кометы, анализа неорганической и органической фазы в них;
• датчик пылевой обстановки MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) для определения плотности пыли, размера и формы пылинок;
• анализатор кометной пыли GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator);
• плазменный комплекс PRC (Rosetta Plasma Consortium) для определения свойств ядра и внутренней части комы, мониторинга активности и изучения взаимодействия с солнечным ветром;
• излучатель радиозонда CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission) для изучения крупномасштабной структуры ядра;
• аппаратура точного радиоконтроля орбиты RSI (Radio Science Investigation) для навигации вблизи кометы, определения массы и плотности ядра, зондирования комы и солнечной короны методом радиозатмения.

Схема размещения научной аппаратуры на зонде Rosetta

Маленький шестигранный посадочный аппарат Philae размерами 1,0 × 1,0 × 0,8 м имел массу 100 кг, из которых 21 кг приходится на 10 научных приборов:

• спектрометр альфа-частиц и рентгеновского излучения APXS (Alpha Proton X-ray Spectrometer) для определения элементного состава грунта;
• комбинированный газовый хроматограф и масс-спектрометр COSAC (COmetary SAmpling and Composition) для анализа образцов горных пород и оценки содержания в них летучих компонентов;
• газовый хроматограф Ptolemy для измерения соотношения долей стабильных изотопов в ключевых летучих компонентах ядра кометы;
• комплекс из шести микрокамер CIVA для панорамной съёмки поверхности и спектрометр для изучения образцов грунта;
• камера ROLIS (Rosetta Lander Imaging System) для съёмок во время спуска, с разрешением 1024 × 1024 пикселя;
• приёмник и ретранслятор радиозонда CONSERT для изучения крупномасштабной структуры ядра;
• датчики MUPUS (MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science) для измерения плотности, температурных и механических свойств поверхности;
• магнитометр и детектор плазмы ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor) для изучения магнитного поля ядра кометы и его взаимодействия с солнечным ветром;
• комплект из трёх приборов SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiments) для анализа физических и электрических свойств грунта, акустического зондирования и измерения оседающей пыли;
• подсистема SD2 (Drill, Sample, and Distribution subsystem) для бурения, забора и распределения грунта.

Схема размещения научных приборов на посадочном аппарате Philae

⇡#Долгая дорога между работой и гибернацией

Итак, 2 марта 2004 года с космодрома в Куру (Французская Гвиана) поднялась ракета-носитель Ariane 5G с межпланетной станцией Rosetta, нацеленной на комету 67Р, которая была открыта в октябре 1969 года советским астрономом Климом Чурюмовым на снимках, сделанных Светланой Герасименко. Она не является уникальным небесным телом. Напротив, это самая обыкновенная короткопериодическая комета (возвращается к Солнцу каждые 6 лет 7 месяцев), но как раз типовые кометы могут дать представление о том, из какого вещества формировалась Солнечная система миллиарды лет назад. К тому же 67Р с 1959 года не улетает дальше орбиты Юпитера, её траектория предсказуема и удачно подошла к стартовому окну зонда.

Клим Чурюмов и Светлана Герасименко в 1975 году. Фото: К. Чурюмов/Элементы.ру

Началась экспедиция, расчётная длительность которой превышала десять лет.

Почему так долго? Все предыдущие автоматические миссии — от американской ISEE-3 (ICE) и советской «Веги» в середине 1980-х и до зонда Stardust в 2011 году — заканчивались быстрее, поскольку проходили на встречных или пролётных курсах. Они позволяли сфотографировать ядро кометы и даже захватить частички её хвоста и привезти на Землю. Но для вдумчивого изучения и посадки на ядро нужно не только встретиться с кометой, но и затормозиться. А небесные странницы пролетают десятки и даже сотни километров в секунду, да и сам зонд идёт через космос довольно шустро. Всё это сильно усложняет дело.

Долгий и непрямой путь позволил «Розетте» подобраться к нужной комете сзади и пристроиться рядом. Для того чтобы сделать это, зонд выполнил три гравитационных манёвра около Земли и один у Марса. Кроме того, состоялся пролёт вблизи двух астероидов: траектория выстраивалась исходя из направления движения к комете и возможностей двигательной установки аппарата.

Траектория к цели включала несколько гравитационных манёвров и пролёт вблизи астероидов

Через полтора года после старта Rosetta смогла взглянуть на реализацию миссии NASA Deep Impact. Удар импактора массой 372 кг по комете Темпеля (9P/Tempel 1) вызвал вспышку, которую сложно разглядеть глазами, зато её зарегистрировали более чуткие датчики «Розетты».

Спустя ещё два года зонд пролетел вблизи Марса и сделал превосходные снимки Красной планеты в разных спектральных диапазонах, после чего был переведён в «спящий» режим в целях экономии ресурса аппаратуры.

Rosetta пролетает вблизи Марса

Пробудившись через полтора года, 4 августа 2008 года Rosetta посетила астероид Штейнс (Steins), выполнив съёмку поверхности с расстояния 700 км. К сожалению, сбой системы помешал использовать основную оптику, но широкоугольная камера позволила сделать снимки с разрешением до 80 м на пиксель. Инструменты дали об объекте ценную информацию: осмотр с близкого расстояния подтвердил выдвинутые ранее предположения, что астероид относится к классу Е, состоит из силикатов, бедных железом, но богатых магнием, при этом некоторые минералы перенесли нагрев более 1000 °С.

Затем зонд вновь «заснул» и проснулся летом 2010 года. 10 июля Rosetta пролетела мимо Лютеции (Lutetia) — очень интересного и загадочного объекта, исследование которого вызвало много вопросов. Этот стокилометровый астероид был исследован зондом с расстояния 3170 км. Дальнобойная камера сработала отлично, что позволило получить снимки с разрешением до 60 м на пиксель.

До этой миссии астрономы определили спектральный класс Лютеции как М — астероиды с большим количеством металлов. Однако датчики зонда указывали скорее на класс С — углеродистых хондритов. Снимки поверхности позволили сделать вывод, что астероид покрыт толстым слоем раздробленного реголита, скрывающего коренные породы. Анализ массы позволил определить плотность: выше чем у каменных, но ниже, чем у металлических астероидов, что вызвало недоумение учёных. В конце концов они решили, что имеют дело с одним из немногих оставшихся с момента зарождения Солнечной системы планетезималей — «зародышей планет».

Изображение астероида Лютеция, сделанное зондом Rosetta

После пролёта Лютеции Rosetta вновь впала в «спячку», в которой пробыла с мая 2011 по начало 2014 года — 20 января станцию, приближающуюся к цели, разбудил встроенный таймер. Началась подготовка к встрече с кометой Чурюмова — Герасименко.

Посадочный аппарат Philae включился 28 марта, а 14 апреля сделал своими камерами снимок, на котором были видны солнечные батареи «материнского» зонда!

На «селфи», сделанном Philae, видны солнечные батареи зонда Rosetta

6 августа, преодолев после старта 6,4 млрд км, Rosetta достигла окрестностей цели. Чтобы сблизиться с кометой, зонд выполнил три манёвра: после первого перешёл на траекторию, проходящую примерно в 100 км от ядра, ещё две коррекции уменьшили расстояние до 90 км.

Через шесть дней станция выполнила четвёртый манёвр, а 20 августа — пятый. Тогда же на основании детальных снимков ядра кометы руководители миссии выбрали пять возможных районов десантирования посадочного аппарата. Ещё через четыре дня, когда Rosetta находилась в 72 км от ядра, был совершён шестой манёвр, приблизивший станцию ещё на 20 км к цели. Последовавшие затем две коррекции перевели зонд на дугообразные траектории относительно ядра.

Надо сказать, что на этом этапе трассу аппарата сложно назвать орбитой: фактически это был совместный полёт рядом с телом, которое слишком слабо притягивало зонд. Сложная траектория «орбиты» задавалась многочисленными коррекциями.

Траектория приближения зонда к комете

В первую неделю сентября прошли ещё два манёвра, которые наконец-то обеспечили выход зонда на околокруговую орбиту. 10 сентября двигатели вновь включились, понизив высоту полёта до 29 км. После этого Rosetta обращалась вокруг ядра с периодом примерно 14 суток, имея орбитальную скорость… всего 15 см/с. Сформированная траектория не была круговой орбитой, а состояла из трёх дуг — две («утренняя» и «вечерняя») лежали над освещёнными частями ядра, а третья — над теневой, где специалисты могли изучить тепловые свойства грунта.

Предполагалось, что за месяц станция сможет составить полную карту ядра кометы, чтобы выбрать место посадки Philae. Но уже 15 сентября ЕКА объявило, что высадка будет предпринята в районе J, который размещался на малом «полушарии» ядра кометы. Последнее при ближайшем рассмотрении оказалось «склеенным» из двух фрагментов неправильной формы, напоминавшей гантель. Выбор обуславливался соображениями безопасности «лэндера» и наличием признаков активности вблизи запланированной точки посадки.

Форма ядра кометы и обозначение «географических зон»

24 сентября станция снизилась до 20 км, а через пять дней вышла на орбиту высотой менее 19 км и периодом обращения около 7 суток. Сформированная траектория лежала практически в плоскости терминатора.

В октябре Rosetta снизила высоту до менее чем 10 км и теперь облетала ядро всего за 66 часов. Оказалось, что большое полушарие («тело гантели») имело размеры 4,1 × 3,2 × 1,3 км, а малое (получило название «голова») — 2,5 × 2,5 × 2 км.

4 ноября ЕКА объявило имя для места посадки (которое уже через неделю предстояло забыть): бывший район J назвали «Агилкия» (Agilkia) по имени острова на реке Нил, на который с острова Филы перенесли храм Изиды и другие сооружения при постройке Асуанской плотины.

Зона J «Агилкия» — расчётный район посадки Philae

⇡#Посадка: ура или не ура?

Настала пора проявить себя посадочному аппарату. Впервые его попробовали включить 10 ноября, но неудачно. Лишь после принудительной перезагрузки бортового компьютера «лэндер» запитал все системы и начал зарядку аккумулятора.

По плану Philae должен был подойти к ядру со скоростью около 1 м/с и при контакте с поверхностью прижаться с помощью сопел на сжатом газе, выпустив также два гарпуна, фиксирующие его на грунте при слабой гравитации кометы.

Расчётная схема «прикомечивания» посадочного аппарата

Однако в ходе проверки группа управления в Кёльне обнаружила, что активную систему посадки использовать нельзя (газовое сопло не работало — не удалось распечатать пробку на баллоне с азотом), и оставалось полагаться только на гарпуны.

Ночью 12 ноября группа управления дала разрешение на разделение и спуск. Через три часа Rosetta перешла на траекторию, проходящую в 5 км от центра ядра, а ещё через три часа сработали специальные приводы, которые отделили Philae. После разделения «материнский аппарат» сразу же сманеврировал на орбиту наблюдения, и с этого момента его основной функцией стала ретрансляция данных с «лэндера» — слишком слабого для непосредственной связи с Землёй.

Траектория маневрирования зонда Rosetta у кометы в октябре — декабре 2014 года

Philae сообщил о состоянии своих систем и подтвердил работу стабилизирующего маховика и раскрытие посадочных опор, а затем передал снимки основного зонда, сделанные после разделения, а также первые научные данные. Rosetta, соответственно, отослала на Землю фотографию удаляющегося «лэндера».

Спуск на поверхность ядра с высоты немногим более 20 км занял целых семь часов, за которые аппарат регистрировал параметры окружающей среды. За час до расчётного момента «прикомечивания» камера ROLIS для съёмки на спуске начала трансляцию изображений с разрешением лучше трёх метров.

Сигнал о касании пришёл лишь на минуту позже намеченного времени — настолько высокой была точность баллистического расчёта. Ход амортизаторов при посадке составил немногим более 40 мм. В центре управления в Дармштадте началось ликование — ещё бы: впервые в мире осуществлена мягкая посадка на комету! Вскоре поступила информация о том, что оба гарпуна посадочного устройства выстрелили, затем прошла команда на выключение маховика. Вроде все шло штатно. Но…

Изображения, переданные «лэндером» во время приземления

Телеметрия показывала, что, коснувшись ядра кометы, аппарат … продолжает двигаться! Через 40 минут оказалось, что гарпуны не сработали. Стало понятно, что Philae отскочил и сейчас перемещается где-то над грунтом, рискуя вообще улететь в космос. Сигнал с него шёл нестабильно, с перерывами. Тем не менее в интернете от имени зонда появился твит: «Я на поверхности, но моя удерживающая система не сработала. Команда пытается определить — почему». Спустя час пришло сообщение, что два из трёх гарпунов всё-таки вонзились в грунт и зафиксировали «лэндер». Вот только где?

Ликование в Центре управления сменилось лёгкой паникой, когда стало понятно, что эпопея с посадкой ещё не закончилась

По некоторым данным, аппарат совершил посадку по крайней мере дважды, после первого раза отпрыгнув от поверхности. Ничего необычного в этом нет — сила тяжести на ядре примерно в 50 тысяч раз меньше, чем на Земле, и земные 100 кг превратились... в 2 г! Всё же при первом касании «лэндер» практически погасил свою скорость, поэтому и отскакивал от поверхности очень медленно. Позднее, после расшифровки измерений магнитометра, было определено, что касаний было три — в 15:33, 17:26 и 17:33 по бортовому времени. После посадки основные системы Philae работали штатно, он получал питание от одной панели солнечной батареи, но во время устойчивого приёма телеметрии с поверхности некоторые части аппарата находились в тени.

Philae два раза отскочил от поверхности и приземлился не там, где рассчитывали. Инфографика Daily Mail

Второй сеанс связи с Philae начался 13 ноября, когда в результате вращения ядра Rosetta снова увидела район посадки. Вначале «мать» слышала «сына» через раз, и только после подъёма орбитального аппарата над горизонтом «лэндер» смог передать телеметрию, изображения и другие данные с поверхности. Сеанс продолжался несколько часов, пока ретранслятор вновь не ушёл из зоны радиовидимости посадочного аппарата.

Уже утром следующего дня ЕКА опубликовал первый снимок системы микрокамер для панорамной съёмки поверхности и спектрометра для изучения образцов грунта на поверхности ядра, а ближе к вечеру была показана панорама из семи кадров — в неё попали концы трёх посадочных опор, одной из штанг научной аппаратуры и антенны.

Одно из первых изображений микрокамер Philae

Это позволило оценить положение — похоже, аппарат стоял во впадине с наклоном около 30°, оказавшись в очень неблагоприятных условиях по освещённости. В плановой точке посадки продолжительность «светового дня» составляла около 7 ч (при длительности суток примерно 12,4 ч), но после прыжков «лэндер» попал в тень высокой скалы, поэтому одна из солнечных батарей была освещена… в течение 80 минут каждого оборота ядра, а ещё на две свет падал по 20-30 минут. В результате расход энергии бортовыми системами и научными приборами превышал приход, и аккумулятор истощался быстрее, чем заряжался. С выполнением научной программы следовало поторопиться…

Восемь из десяти приборов уже провели измерения (полностью или частично), после чего вечером 13 ноября решено было задействовать два контактных эксперимента, пусть даже с риском опрокинуть зонд. По командам с Земли грунтом занялись головка спектрометра и пенетратор: поскольку выяснилось, что ориентация аппарата не изменилась, включился бур. Результат был получен утром следующего дня.

Philae берёт пробы грунта

Вечерний сеанс 14 ноября стал для Philae последним — аккумуляторы полностью разрядились. К счастью, посадочный аппарат успел передать информацию об успешной работе бурильного устройства и все научные результаты, включая данные измерений, проведённых анализаторами летучих веществ и газовым хроматографом. В ходе сеанса связи за счёт изменения наклона «ножек» зонд поменял ориентацию — повернулся вокруг вертикальной оси на 35° и приподнялся на 4 см — пытаясь направить к Солнцу большую солнечную батарею и увеличить приток энергии. Сделав последний снимок и выполнив измерения радиозондом, Philae перешёл в «спящий режим», а специалисты погрузились в размышления: как жить дальше?..

Продолжение рассказа о миссии Rosetta будет опубликовано на 3DNews ровно через неделю.