Проснись и пой... давай же!

⇡#Научные результаты

Закрывать последнюю страницу грандиозной эпопеи Rosetta (общую стоимость миссии оценивают в 1,3 млрд евро) рано, но подвести промежуточные итоги стоит. С медийной точки зрения несомненным результатом полёта — и одним из величайших достижений космонавтики — стала первая мягкая посадка на столь специфическое небесное тело, как ядро кометы.

По мнению генерального директора ЕКА Жан-Жака Дордена (Jean-Jacques Dordain), научно-исследовательская программа Rosetta по изучению кометы 67Р/Чурюмова — Герасименко достойна Нобелевской премии. «Я надеюсь, что будут присуждены Нобелевские премии по результатам осуществления исследовательских программ космическими аппаратами Rosetta и Philae», — сказал он в середине января 2015 года на встрече с представителями СМИ.

Генеральный директор ЕКА Жан-Жак Дорден считает, что программа Rosetta достойна Нобелевской премии

В целом миссия завершилась успешно. За время пребывания исследовательских аппаратов на поверхности и около кометы 67P/Чурюмова — Герасименко собран огромный массив научных данных, анализ которых показал, что ледяное тело кометы, являющееся остатками материала, из которого сформировались объекты Солнечной системы, имеет более разнообразную природу и более сложное строение, нежели учёные считали ранее.

Благодаря спуску на поверхность ядра получен доступ к реликтовому веществу Солнечной системы, что позволило проверить гипотезу о возможности переноса кометами воды и макромолекул органики. Исследования позволяли пролить свет на то, как зарождалась жизнь во Вселенной.

Учёные продолжают анализировать данные, полученные от посадочного модуля, в частности о температуре на поверхности кометы, о составе слагающих её материалов. Так, например, выяснилось, что объект имеет пористую структуру, на поверхности и в газопылевом облаке вокруг ядра, называемом комой, наличествуют органические молекулы, вода, угарный и углекислый газы.

Выяснилось, что ядро кометы имеет пористую структуру, на поверхности и в газопылевой коме есть органические молекулы, вода, угарный и углекислый газы

Несомненно, мягкая посадка на ядро кометы — выдающийся успех, который не умаляют отдельные огрехи. А они были. Не все приборы посадочного зонда работали штатно. Например, единственный замер альфа-протон-рентгеновского спектрометра для определения элементного состава грунта показал наличие меди и титана — вероятно, у прибора просто не открылась крышка, выполненная из сплава, в который входят оба указанных металла.

В декабре 2014 года журнал Science опубликовал первую научную статью по итогам миссии. Philae смог измерить температуру на поверхности ядра кометы, уходящей от Солнца: в ноябре на освещённой стороне она колеблется между -183 и -143 °С. В статье описывалось открытие, касающееся состава водяного льда из материала ядра кометы. Анализ показал: по химическому составу кометная вода отличается от земной — это во многом противоречит гипотезе о том, что воду на Землю и другие планеты Солнечной системы доставили кометы.

Данные научных инструментов орбитального зонда показали, что на протяжении последних шести месяцев количество пыли, которую выбрасывает комета, растёт. Также регистрировался общий рост темпов глобального выброса водяного пара — с 0,3 л/с в начале июня 2014 года до 1,2 л/с в конце августа 2014 года. К пару подмешиваются СО и СО₂, а состав комы колеблется в течение суток.

Находясь на расстоянии 350 млн км от Солнца, комета Чурюмова — Герасименко теряла по 300 мл воды в секунду в виде истекающего в космос пара

Сопоставляя измерения приборов MIRA, ROSINA и GIADA, полученные с июля по сентябрь, учёные оценили соотношения твёрдой и газообразной фракции вещества, испускаемого кометой. Оказалось, что освещённая поверхность ядра выбрасывает пыли в четыре раза больше, чем газа. Ожидалось, что это значение изменится по мере приближения кометы к Солнцу.

Хотя водяной пар — это основной газ, выбрасываемым кометой 67P/Чурюмова — Герасименко, большая часть воды в породе, как полагают, находится в виде льда под корой ядра и очень немного -- на поверхности. Тем не менее, детальный анализ с помощью инфракрасной камеры VIRTIS раскрыл состав верхнего слоя: это в первую очередь корка тёмного, сухого и богатого органическими веществами материала (пыли), смешанного с небольшим количеством льда.

Учёные предполагают, что им удалось раскрыть тайну пятен на поверхности изучаемого объекта. Исследования показали, что на твёрдом ядре более сотни образований изо льда, который при низком давлении в процессе приближения кометы к Солнцу превращается в пар, захватывающий с собой частицы пыли. Лёгкие фракции (молекулы воды) улетучиваются в космос, а более тяжёлые (частицы пыли) возвращаются и оседают на поверхности. Поэтому, считают учёные, последняя имеет тёмный рябой окрас: почти чёрные места — твёрдая корка пыли, светлые пятна — скорее всего, лёд, который проявился на объекте в результате эрозии поверхности ядра.

Эту идею поддержал лабораторный эксперимент, имитирующий поведение в вакууме льда, погребённого под пылью и подогреваемого сверху солнечным светом: спустя несколько часов поверхность условной кометы покрылась слоем пыли, но некоторые крупные куски водяного льда всё-таки остались различимы в виде ярких пятен. Тесты показывают, что при низких температурах более 80% паров воды не прорываются через пылевую мантию, а конденсируются под поверхностью.

«Местным днём» водяной лёд под поверхностью ядра кометы испаряется и уходит в космос, «местной ночью» на поверхность выпадает пыль, «на рассвете» (или «на закате») процесс повторяется, но большая часть воды не проходит через корку из слипшейся пыли

«Рост зёрен льда может привести к возникновению богатых льдом приповерхностных слоёв толщиной в несколько метров, которые затем могут повлиять на общую структуру, пористость и тепловые свойства ядра, -- говорит Фабрицио Капачиони (Fabrizio Capaccioni), главный научный специалист эксперимента VIRTIS. -- Слои, насыщенные льдом, которые мы видим на поверхности, могут быть следствием кометной активности и эволюции, подразумевая, что не всё ядро одномоментно возникло в начале истории формирования кометы».

Сразу после баллистических измерений траектории движения зонда учёные смогли ответить, что лежит под поверхностью кометы 67P: пыль, много-много пыли. Конечно, хотелось надеяться на вкрапления алмазов и прочие захватывающие воображение сюрпризы, но...

Кометы — замороженный «строительный мусор», оставшийся после формирования Солнечной системы, в самом деле оказались смесью водяного льда и пыли. Если всё вещество ядра сжать, оно было бы плотнее воды, но в реальности Rosetta зарегистрировала гораздо меньшую плотность и заставила ведущих учёных задуматься: а не пронизана ли «капсула времени» пещерами и кавернами?

Места активного истечения газов на ядре кометы могут содержать пещеры и каверны

Теперь можно считать, что эта тайна раскрыта: комета 67P — не кубик льда, а, скорее, пирожное-безе, достаточно твёрдое, но в то же время очень лёгкое, склеенное из мириад порошкообразных пылинок.

Астрономы пришли к такому выводу путём изучения влияния притяжения кометы на зонд по изменению радиосигналов, полученных на Земле. Если бы ядро кометы было изрыто пещерами, его гравитация притягивала бы аппарат по-разному, что приводило бы к изменению отдельных участков орбиты — по ним Rosetta двигалась бы «рывками», а это, в свою очередь, создавало бы доплеровский сдвиг в частоте радиосигналов.

Для связи с зондом обычно используется 35-метровая антенна наземной станции «Нью-Норшия» (New Norcia) в Австралии. Специалисты проанализировали вариации сигналов, чтобы получить общее представление о гравитационном поле кометы. Большие внутренние пещеры приводили бы к заметному изменению частоты.

Общее представление о гравитационном поле кометы давал анализ сигналов зонда Rosetta, получаемых антенной наземной станции «Нью-Норшия»

«Закон тяготения Ньютона говорит нам, что на «Розетту» воздействуют все космические тела, — объясняет Мартин Петцольд (Martin Paetzold), главный научный специалист эксперимента RSI. — С практической точки зрения это означает, что в расчётах траектории движения зонда мы должны были исключить влияние Солнца, всех небесных тел — от гигантского Юпитера до карликовых планет, а также крупных астероидов во внутреннем поясе, оставив только влияние кометы. К счастью, эти эффекты хорошо известны, и их учёт является стандартной процедурой при управлении современными космическими аппаратами».

Кроме того, надо исключить давление солнечного света и истечение остаточного газа из кометы — эти факторы также сбивают аппарат с курса. Для этого чрезвычайно полезен инструмент ROSINA, который измеряет параметры газовых струй.

До 2014 года команда эксперимента RSI предсказала, что для измерения внутреннего распределения массы кометы необходимо подойти ближе чем на 10 км — этот расчёт строился на предположении, что ядро имеет сферическую форму. С учётом изначального отсутствия знаний о деятельности кометы и требований по безопасности аппарата была разработана «траектория осторожного подхода», но даже она подводила зонд только на гораздо большие расстояния.

Затем, по мере того, как Rosetta приближалась, стала очевидной странная форма ядра. К счастью для RSI, структуры, составленные из двух фрагментов, означают, что различия в поле силы тяжести будут гораздо более выраженными и, следовательно, их легче измерить издалека.

«Мы смогли заметить изменения в гравитационном поле с высоты 30 км», — говорит Петцольд.

Когда «Розетте» удалось достичь орбиты высотой 10 км, прибор RSI провёл детальные измерения и позволил проверить результаты с высокой точностью.

Масштабы ядра кометы можно сопоставить с таким европейским городом, как Рейкьявик

Вычисленная масса кометы 67P/Чурюмова — Герасименко оказалась чуть меньше 10 млрд т. Для разработки математических моделей формы использовались изображения с камеры OSIRIS, которые позволили определить объём ядра примерно в 18,7 км³, а это означает, что плотность составляет 533 кг/м³ (примерно как у сухой древесины).

Поскольку изменений ускорения, связанных с неоднородностью структуры материала ядра, обнаружить не удалось, можно заключить, что центральное тело является однородным, но весьма рыхлым -- учёные подсчитали, что оно на 75% состоит из частиц пыли и на 25% из водяного льда.

В сентябре 2016 года Rosetta будет сведена с орбиты и направлена на ядро. Манёвр посадки (или соударения) ставит перед специалистами по динамике полёта европейского космического центра ESOC (European Space Operations Centre) в Дармштадте уникальную задачу: по мере приближения к ядру гравитационное поле кометы, имеющее сложную форму, сделает навигацию всё труднее и труднее. Но при этом резко повысится точность измерений RSI, что позволит проверить гипотезу о существовании небольших пещер (скорее гротов), которые не могли быть зарегистрированы другим способом.

Понятно, что это далеко не все результаты миссии — на их полное изучение и анализ уйдут годы. Не исключено, что впереди — новые открытия, которые помогут лучше понять историю Солнечной системы и нашей планеты.

Участники проекта Rosetta