Lucy

30 июля Эмили Грэмлих поднялась на борт военно-транспортного самолёта С-17, находящегося на базе космических сил Бакли (Колорадо). Эмили – инженер из Lockheed Martin – никогда раньше не находилась на борту этого гиганта, похожего на перекормленную небесную акулу. Для ценного груза, который Эмили сопровождала, лишние метры оказались неплохим подспорьем, поэтому и был выбран вместительный самолёт. В гигантском транспортном контейнере находился космический аппарат, отправленный с места своего «рождения» в Космический центр Кеннеди во Флориде. Этот аппарат назвали Lucy, и его ждёт гораздо более длительное путешествие: 12-летнее странствие к восьми различным астероидам.

Запуск аппарата планируется провести в октябре-ноябре этого года. Ну а главной целью этой миссии станет исследование троянских астероидов Юпитера – удивительной группы космических объектов, находящихся в гравитационной ловушке на орбите планеты-гиганта с первых дней существования Солнечной системы.

Троянцы – астероиды, движущиеся вдоль орбит планет, первый из которых обнаружил в 1906 году немецкий астроном Макс Вульф. Астероид движется вокруг Солнца по орбите Юпитера, опережая его в среднем на 60 градусов. Далее была открыта целая группа небесных тел, движущихся впереди Юпитера. Первоначально они получали имена в честь героев легенды о троянской войне, воевавших на стороне осаждавших Трою греков. Помимо опережающих Юпитер астероидов существует группа астероидов, отстающих от него примерно на тот же угол; они были названы троянцами в честь защитников Трои. В настоящее время астероиды обеих групп называют троянцами, и они движутся в окрестностях точек Лагранжа L₄ и L₅, точек устойчивого движения в задаче трёх тел. Небесные тела, попавшие в их окрестности, совершают колебательное движение, не уходя слишком далеко. По необъяснённым пока причинам астероидов, опережающих Юпитер, примерно на 40 процентов больше, чем отстающих.

Астероиды — источники опасности и объекты исследований

Эта инициатива, возглавляемая Юго-Западным научно-исследовательским институтом (SwRI), была выбрана в качестве миссии NASA по программе Discovery в 2017 году, и после нескольких лет проектных работ, в августе 2020 года, в Lockheed Martin началась сборка, испытания и подготовка аппарата к запуску .

Кульминацией этой работы стало путешествие из Колорадо на космодром во Флориде. Каждые полчаса Эмили, которая помогала подготовить аппарат к транспортировке, записывала данные о температуре и влажности внутри транспортного контейнера, прозванного “контейнером Кассини” (ранее эта же коробка перевозила восемь других космических аппаратов, включая одноимëнный, который отправился на Сатурн).

В своё время Lucy пережила кое-что пострашнее, чем перелёт через полконтинента на головокружительной высоте. На одном из объектов Lockheed Martin за пределами Денвера, команда проекта провела ряд тестов, в процессе которых аппарат трясли, нагревали, охлаждали и освещали корабль имитацией солнечного света, чтобы убедиться, что он выдержит экстремальные условия как в космосе, так и во время запуска. Наконец наступило время проведения последних тестов, которые и пройдут во Флориде.

“Это оказалось очень напряжённой работой, и это неудивительно”, – говорит Грэмлих. Окно запуска уже, чем, скажем, для спутника, направляющегося на околоземную орбиту. И поэтому то, что Lucy с успехом “сдала” свои предпоследние экзамены и благополучно добралась до космодрома, стало очередной вехой в истории проектирования аппарата.

Миссия получила своё название в честь представительницы вида Australopithecus afarensis, чьи останки, обнаруженные в 1974 году, изменили представления о происхождении и эволюции человека. Исследовательская группа надеется, что этот космический аппарат сделает для планетологии то же самое, что этот скелет сделал для палеоантропологии – даст нам возможность взглянуть на формирование и эволюцию Солнечной системы. На начальном этапе её формировании вокруг молодого Солнца вращалось огромное количество строительного материала, из которого спустя некоторое время и образовались планеты. Астероиды же – это, по сути, кучка “мусора”, оставшаяся в результате этого процесса.

После того, как из окружающих Солнце газа и пыли сформировалось несколько миллиардов планетезималей, все эти объекты принялись сталкиваться друг с другом, соединяться и создавать более крупные объекты, чтобы в конце концов образовать собой четыре внутренние планеты Солнечной системы и ядра её четырёх внешних планет-гигантов… В эту картину надо не забыть включить сотни тысяч астероидов, что вращаются вокруг Марса и Юпитера. Самые большие из них достигают в диаметре нескольких сотен миль, и они тоже наверняка выросли за счёт столкновений планетезималей – правда, в какой-то момент обнаружили, что расти и дальше им уже не даёт гравитационное вмешательство близлежащего гиганта Юпитера. Самые мелкие астероиды, менее километра в ширину, вполне могут представлять собой обнажённые планетезимали — объекты, образовавшиеся из пыли, но ни разу не столкнувшиеся с себе подобными (опять же благодаря влиянию Юпитера) — после того как они достаточно выросли, чтобы участвовать в гравитационном взаимодействии.

“История всего”, Нил Деграсс Тайсон, Дональд Голдсмит

“Эти объекты настоящие свидетели того самого момента – начала формирования планет”, – говорит Том Статлер, научный сотрудник программы Lucy.

Он сравнивает изучение астероидов с исследованием пирамид – если пирамиды, в этой метафоре, являются Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном, а троянские астероиды являются материалом, из которого они были построены. Найдите заброшенную “строительную площадку”, и вы сможете узнать гораздо больше об их происхождении. “Объекты, которые в конечном итоге стали троянцами, сформировались по всей внешней Солнечной системе и были переброшены на нынешнюю орбиту ”, – говорит Статлер
И хотя наша собственная планета отличается от газовых гигантов, изучение внешних планет даст нам информацию о том, как она сформировалась. “Чтобы понять Землю, нам нужно понять, как формировались и развивались другие планеты“, – продолжает Статлер.

В процессе работы команда проекта будет полагаться на три основных инструмента: L’ Ralph, L’ LORRI, L’ TES. Префикс “L” означает, что они являются частью миссии Lucy. Каждый из этих инструментов основан на разработке устройств, которые уже использовались раньше. LORRI и Ralph были инструментами на борту миссии New Horizons к Плутону и поясу Койпера. “L’ LORRI означает “Lucy LORRI”, – говорит Майкл Винсент, помощник директора департамента космических исследований SwRI. ОTES был частью космического корабля OSIRIS-REx, летевшего к астероиду Бенну, и он практически идентичен прибору TES, который использовался на аппарате Mars Global Surveyor.

L’ LORRI (Long-Range Reconnaissance Imager) представляет собой камеру, предназначенную для детальной съёмки и съёмки с большого расстояния. Прибор позволит делать достаточно чёткие снимки 60-метровых кратеров с расстояния примерно 1000 километров. Камера также позволит обнаружить спутники у исследуемого астероида.

L’TES (Thermal Emission Spectrometer) – это инфракрасный спектрометр. Принцип работы примерно такой же, как и у бесконтактных термометров, которые стали так популярны в последнее время, но вместо того, чтобы исследовать ваш лоб, прибор измеряет температуру поверхности астероида, обнаруживая исходящее от неё инфракрасное излучение. Этот прибор позволит команде Lucy узнать гораздо больше о свойствах троянцев, таких как их тепловая инерция (как быстро или медленно различные части астероида нагреваются или остывают, что может намекать на то, из каких материалов состоит тело), насколько хорошо тела сохраняют тепло, что даст нам представление о составе и структуре материала на поверхности астероидов. “Каждый осмотре поверхности астероида со временем поможет сформировать общую картину”, – говорит Винсент.

Наконец, камера L’Ralph, работающая в видимом и инфракрасном диапазонах. Она будет изучать состав астероидов, фиксируя отражённый солнечный свет и разбивая его на спектр, позволяющий изучить химический состав тела. В этом ему помогут два компонента камеры: LEISA будет анализировать инфракрасное излучение, разделяя его на разные длины волн, которые, как и отпечатки пальцев, соответствуют различным веществам –камню, льду, органическим соединениям и гидратированным минералам; а MVIC исследует объект в видимой части спектра и поможет сделать цветные фотографии. Эти снимки также дадут подсказки команде миссии: гидратированные минералы, называемые филлосиликатами, например, будут отображаться красным цветом, в то время как троилит, минерал сульфида железа, будет отображаться фиолетовым.

Карли Хоуэтт из SwRI – одна из специалистов, работающих с прибором L’Ralph. Обычно красная – её любимая группа, потому что она, как правило, ярче других и показывает больше деталей. “Но если мы увидим активность в фиолетовой полосе, возможно, это будет мой новый любимый цвет”, – говорит она. Но независимо от того, что покажут эти приборы, она будет рада увидеть эти маленькие и такие далёкие миры.

Потребуется много времени для того чтобы Lucy добралась до своей цели. Газовые гиганты называют “внешними планетами” неспроста. Ещё до того, как аппарат окажется на месте, он дважды совершит гравитационные манёвры у Земли: в 2022 и 2024 годах. Наконец, спустя четыре года после старта с космодрома, Lucy начнёт свои исследования – первым объектом станет астероид Главного пояса (52246) Дональдджохансон (названный в честь одного из исследователей скелета Люси) – и это будет генеральная репетиция. После калибровки приборов и многочисленных проверок аппарат продолжит своё путешествие к троянцам. Он потратит более года на изучение пяти астероидов, размеры которых варьируются от нескольких до 60 километров в диаметре.

Но на этом путешествие Lucy не закончится. После изучения астероидов греческого лагеря миссия совершит ещё один гравитационный манёвр вокруг Земли и направится к группе вращающихся “позади” Юпитера тел. В 2033 году, когда аппарат достигнет этой группы, он встретится с двойным астероидом. Пролетев мимо этой пары, Lucy передаст информацию, которая поможет сравнить обе группы – троянскую и греческую. После этой встречи основная миссия аппарата завершится, но он останется на стабильной орбите.

Астероиды нашей Солнечной системе – это очень разнообразная группа объектов. Некоторые из них довольно яркие и отражают много солнечного света (высокое альбедо). Каждый отдельный астероид отражает свет по-своему, и, регистрируя эти различия, учёные могут узнать об этих небольших отдаленных объектах.

Ученые разработали различные методы классификации более 100 000 известных и пронумерованных астероидов, чтобы понять это разнообразие. “Система классификации Толена” была опубликована в 1989 году, и она, а также другие системы классификации, основанные на ней (такие как система классификации Bus–DeMeo), до сих пор широко используются. В этих системах астероиды распределяются по группам в зависимости от того, как отражается свет, в частности, их общее отражение (альбедо), разница в отражательной способности различных длин волн света и более детальная классификация основанная характеристиках спектра отражённого солнечного света (назовём их “отпечатками пальцев”).

В главном поясе астероидов присутствуют объекты различных типов с очень разными альбедо и с очень отчётливыми спектральными “отпечатками пальцев”. В отличие главного пояса, во внешней Солнечной системе (включая “население” троянских астероидов) преобладают тёмные (с низким альбедо) астероиды с относительно невыразительными спектрами, при этом “цвет” астероидов по-прежнему отличается большим разнообразием, основанным на том, насколько эффективно они отражают более длинные волны (красный) по сравнению с более коротким (синим). Например, ниже показаны некоторые типы астероидов, обнаруженные в главном поясе и рое троянцев.

Тип	Спектр	Описание
S-type		Астероиды с умеренными альбедо. Основываясь на образце, возвращённом благодаря аппарату “Хаябуса”, мы можем связать некоторые астероиды этого спектрального типа с обычными хондритами.
C-type		Астероиды с низким альбедо и линейным, как правило, невыразительным спектром. Предполагается, что они состоят из того же материала, что и углеродистые хондриты, распространённый тип примитивных метеоритов, богатых углеродом и летучими веществами. Миссии OSIRIS-REx и Hayabusa 2 вернут образцы с астероидов C-типа, чтобы проверить эту гипотезу.
D-type		Астероиды с низкими альбедо и ровным красноватым спектром. Учёные предполагают, что они богаты органикой и летучими элементами. Метеорит озера Тагиш-единственный образец в нашей коллекции, который так подходит для астероидов D-типа.
P-type		Астероиды с низкими альбедо и, как правило, красноватыми спектрами. Как и D-типы, предполагают, что они богаты органикой и летучими элементами.

Эти системы классификации оказались очень полезными, помогая разобраться в разнообразии астероидов. Однако важно отметить, что эти классификации являются произвольными. Последние исследования (облёты объектов различными аппаратами) были неотъемлемой частью подтверждения того, что некоторые спектральные различия (например, между астероидами S-типа и C-типа) явно связаны с различиями в составе. Но этих данных не хватает для того чтобы уверенно говорить о фундаментальных различиях в свойствах астероидов. Вот здесь и появилась ещё одна цель для Lucy – сравнить астероиды типа C, P и D и узнать о том, как состав, количество (и свежесть) кратеров и другие свойства астероидов “работают” вместе при определении спектрального типа. Эти наблюдения дадут нам более глубокое понимание того, как и почему мы наблюдаем подобное разнообразие в нашей Солнечной системе. Таким образом, миссия Lucy предоставит уникальные и важные знания о природе этих различных типов астероидов.

Интересно, что поначалу команда планировала заняться изучением семи астероидов, но 9 января 2020 года NASA официально объявило, что аппарат посетит не семь, а восемь тел. Как оказалось, у Эврибата есть небольшой спутник. Изучение и поиск спутников является одной из центральных целей миссии, а обнаружение этих крошечных миров до запуска даст команде возможность исследовать их орбиты и спланировать более подробные последующие наблюдения. Одним из способов поиска подобных объектов конечно же является использование космического телескопа “Хаббл”. По словам одного из сотрудников проекта, Кита Нолла, телескоп уже помогал в обнаружении двойных астероидов в поясе Койпера. Нолл предложил и в этот раз использовать “Хаббл” – первый раунд наблюдений провели в ноябре 2018 года. Затем последовала кропотливая работа по поиску спутников на полученных снимках (были ложные свидетельства присутствия спутника у астероида Orus, которые не подтвердились). Наконец, в ноябре 2019 года, перед встречей со своей командой Нолл, готовивший презентацию о поиске спутников у троянцев, неожиданно наткнулся на один снимок, сделанных его командой 12 сентября 2018-го. Поэкспериментировав с яркостью и контрастом, он увидел необычное яркое пятно рядом с Эврибатом. На следующий день он представил своё открытие остальным сотрудникам, сопоставив его со снимками от 14 сентября, где объект также присутствовал, хотя и поменял своё расположение.

Следующий шанс для точного ответа на вопрос о том, является ли это тело спутником, появился 11 и 21 декабря. Но в обоих случаях объект не удалось зафиксировать. Оставалась ещё одна попытка. Наконец, 3 января крошечный спутник был обнаружен. Как они и подозревали, в двух предыдущих наблюдениях он оказался слишком близок к Эврибату (который более чем в 6000 раз ярче своего соседа). С тех пор команда проекта неоднократно наблюдала спутник на новых снимках, что и позволило крохотному телу обрести имя – Квета.

Итак, Lucy приземлилась во Флориде, где над аппаратом проведут финальные тесты: тест на оперативную готовность, проверку работы приборов, в том числе отвечающих за связь с аппаратом. Ну а кроме приборов и инструментов команда Lucy решила разместить “капсулу времени” на борту аппарата в виде таблички. На табличке изображена Солнечная система, а также траектория полёта космического аппарата. Кроме этого в “капсуле времени” содержатся послания выдающихся мыслителей нашего времени, учёных, поэтов, писателей. 

Важно не перестать задавать вопросы. У любопытства есть своя собственная причина существования. Нельзя не испытывать благоговения, когда оно созерцает тайны вечности, жизни, изумительной структуры реальности. Достаточно, если кто-то пытается просто постигать немного этой тайны каждый день.

Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Источник