Rosetta: посадка на ядро кометы

…Для меня лично, как и для миллионов других людей, сложно представить себе жизнь в мире, где миссия Rosetta не состоялась. Предлагаю мысленно вернуться в прошлое — к 20 января 2014 года, дню, когда аппарат самостоятельно, автоматически, без какой-либо помощи или руководства с Земли «пробудился», прекратил вращение, определил свое положение относительно родной планеты и отправил сообщение, в котором говорилось, что Rosetta цела, невредима и готова к выполнению своей главной задачи.

Сигнал пришел с задержкой в 15 минут. Этого времени хватило, чтобы все присутствовавшие в Европейском центре управления космическими полетами достигли грани нервного срыва. Все замерли в молчаливом ожидании, в твиттере даже начали появляться предположения, что Европейское космическое агентство якобы специально отключило звуковую дорожку в трансляции, чтобы публика не услышала плохих известий. На самом деле просто никто ничего не говорил — все молча ждали, когда же на ровной зеленой линии появится пик, возвещающий нас об успешном получении сигнала от аппарата. Перед тем, как сигнал, наконец, был получен, Андреа вскочил со стула и сжал кулаки. По-моему, именно эта картина во всей полноте отобразила старания и надежды, вложенные человечеством в эту миссию. Сегодня этот человек выступит перед нами, чтобы поведать о деталях и результатах проекта.

Я очень признателен за приглашение выступить и с радостью расскажу о миссии, которая была важной частью моей жизни в течение предыдущих 20 лет. Разработка проекта началась в 1997 г., когда я еще работал в Италии — и вот я до сих пор о нем рассказываю.

Конечно, 30 минут, отведенные мне на доклад — слишком короткое время, чтобы поведать о двадцатилетней работе во всех подробностях, поэтому мне придется сжато изложить суть проекта. Итак, почему же мы решили отправить миссию к комете? Привлекательность таких объектов с точки зрения науки в том, что это — излишки «строительного материала», оставшиеся после образования крупных тел Солнечной Системы. На ее «задворках», за орбитами газовых гигантов, находится множество каменных и ледяных глыб — «кирпичиков», не вошедших в состав планет и Солнца.

Таким образом, путем исследования комет ученые стремятся узнать больше о формировании Солнца, планет и, возможно, о возникновении жизни на Земле: нетронутый «строительный материал» может хранить ответы на многие фундаментальные вопросы.

В Солнечной системе существуют миллиарды комет. Орбиты большинства из них пролегают очень далеко от ее центра. Внешний регион, граничащий с межзвездной средой, называется Облаком Оорта. Кометы, «обитающие» там, расположены слишком далеко для современных космических аппаратов. Однако внутри системы есть еще одна область, насыщенная огромным количеством комет — пояс Койпера.2 Например, знаменитая комета Галлея периодически прилетает во внутреннюю часть Солнечной cистемы именно оттуда.

Кометы пояса Койпера ближе, чем объекты Облака Оорта, однако все равно достаточно далеки; кроме того, скорости, с которыми они движутся вблизи Солнца, слишком велики, чтобы их могла догнать Rosetta или похожий аппарат.

Ранее уже предпринимались попытки изучать кометы с помощью космических аппаратов: в 1986 г. межпланетный зонд Giotto пролетел мимо ядра кометы Галлея и в течение нескольких часов исследовал его, передав на Землю фотографии и научные данные об этом небесном теле. Однако в наших планах уже значился более сложный проект: догнать комету, посадить на нее зонд и взять пробы с ее поверхности. На тот момент миссия еще не носила имя Rosetta, но уже появились документы, которые можно назвать свидетельством о ее рождении.

ESA совместно с NASA планировало доставить на Землю образцы вещества кометы для их дальнейшего изучения. Осуществление этих планов более 30 лет назад казалось слишком затратным и несвоевременным: из-за трагедии, произошедшей с шаттлом Challenger, американская космонавтика переживала не лучшие времена, и США приняли решение о выходе из проекта.

Специалистам ESA потребовалось почти 10 лет, чтобы предоставить весомые доказательства выполнимости миссии, и в 1993 г. проект утвердили под официальным названием Rosetta. Оно было выбрано в честь Розеттского камня — находки, которая помогла нам раскрыть многие тайны древности. С помощью этой миссии мы тоже хотели найти ответы на вопросы о наших истоках.

С момента утверждения проекта в 1993 г. до запуска в 2004 г. прошло более 10 лет, ушедших на создание аппарата и подготовку миссии, а потом понадобилось еще 10 лет на перелет к пункту назначения. Таким образом, в итоге путь от возникновения идеи до ее реализации занял почти 30 лет.

К сожалению, сейчас такие проекты — большая редкость. Но если мы хотим постичь тайны Вселенной, то должны смотреть далеко в будущее и заниматься разработкой миссий на грани возможного: ведь для выполнения чрезвычайно сложных научных и инженерных задач может потребоваться три, четыре или даже пять десятилетий.

До того, как была запущена Rosetta, наши представления о кометах были достаточно ограничены. В ходе миссии Giotto удалось получить изображение ядра кометы Галлея. Внешний вид кометы Чурюмова-Герасименко астрономы воссоздали по вариациям интенсивности свечения единственного пикселя на снимках космического телескопа Hubble, используя так называемую технику кривой блеска. Однако фактическая форма оказалась совсем не такой, как ожидалось.

Запуск аппарата, как уже было сказано, состоялся за 10 лет до его рандеву с кометой. Многие считают, что столько времени потребовалось из-за того, что она находится очень далеко. Да, расстояние до нее немалое, но она почти не выходит за пределы орбиты Юпитера. За 10 лет Rosetta преодолела 7 млрд км в погоне за «хвостатой звездой». Такое расстояние может показаться невообразимо огромным, но стоит помнить, что мы сами живем на космическом корабле под названием Земля, и за то же время пролетели вместе с нашей планетой около 10 млрд км по орбите вокруг Солнца.

Rosetta была запущена с помощью самой мощной из существовавших тогда ракет-носителей — Ariane 5. Собственно, целых 10 лет потребовалось не для того, чтобы аппарат долетел до удаленного региона Солнечной системы, а для того, чтобы развить скорость, необходимую для сближения и синхронного движения с кометой по орбите вокруг Солнца. Что же помогло нам в этом? Планеты.

Услышав словосочетание «гравитационный маневр», можно подумать, что источник энергии, дающий толчок космическому аппарату — гравитация. На самом же деле она — лишь посредник, используемый для передачи энергии, а источник ее иной. Представьте, что на поверхности деревянного стола лежит железный шарик, а снизу, под столом, вы держите магнит. Если переместить его, шарик двинется вслед за магнитом. Когда вы остановите магнит, шарик продолжит катиться. Однако можно ли сказать, что электромагнитная сила — источник энергии, заставляющей его продолжать движение? Или все же нечто другое?

Истинный источник энергии — мышечная сила, перемещавшая магнит, а магнетизм только послужил посредником для ее передачи. Ту же функцию выполняет гравитация — передает энергию орбитального движения планет. Когда Rosetta приближалась к Земле, наша планета притягивала ее, придавая ускорение движению аппарата. Таким образом, источник энергии — угловой момент Земли или Марса, обращающихся вокруг Солнца. Мы использовали дополнительный импульс от планет, чтобы зонд мог развить нужную скорость и догнать комету. Наконец, в 2014 г., после десяти лет скитаний по Солнечной системе, он сумел достичь поставленной цели. За время своего путешествия он дважды пересек пояс астероидов, использовав эту возможность, чтобы исследовать его «обитателей».

Rosetta догнала комету и вышла из «спящего режима» 20 января. Это был день, когда мы не могли найти себе места — ведь нам предстояло узнать, каков результат всех наших стараний: 1 или 0, да или нет. Мы потратили около 30 лет на подготовку и реализацию этой миссии. Если бы зонд не проснулся, все пошло бы прахом. Но все прошло благополучно, и мы начали получать первые фотографии кометы Чурюмова-Герасименко с расстояния в 2 млн км.

Почему же эти данные имели для нас особую ценность? Орбиты небольших объектов — таких, как астероиды и кометы — известны с определенной степенью неточности. Чтобы догнать комету, выйти на ее орбиту и посадить на поверхность ядра исследовательский модуль, очевидно, необходимо иметь как можно более точную информацию о ее движении и траектории. Единственная возможность достичь такой точности заключается в получении и обработке снимков. Мы использовали технику, называемую оптической навигацией, предполагающую использование данных о положении кометы относительно звезд с последующим расчетом расстояния.

Звучит замысловато, но человеческий мозг использует эту технику постоянно. Когда вы едете в машине и видите, как движутся другие автомобили относительно деталей заднего плана, ваш мозг привычно задействует оптическую навигацию, чтобы оценить, насколько удалены объекты в поле зрения от вас и друг от друга. Мозг автоматически сравнивает относительные скорости движущихся объектов и на основании этого анализа делает вывод, приведет ли движение к столкновению. Тот же метод мы использовали для определения положения зонда Rosetta при сближении с кометой.

Следующим этапом была синхронизация орбит с помощью маневрирования. Для этого нам периодически приходилось снижать скорость аппарата: Rosetta приближалась со скоростью 800 м/с, и каждые 2-3 недели мы производили специальные маневры для ее замедления относительно кометы. Изначально орбита зонда пролегала ближе к Солнцу, чем кометная, то есть его относительная гелиоцентрическая скорость постоянно увеличивалась, чтобы в итоге сравняться со скоростью кометы. Когда в начале августа 2014 г. их движение синхронизировалось, нас ожидал большой сюрприз. Результатом предварительного моделирования формы ядра на основании снимков телескопа Hubble, о котором я упоминал ранее, было нечто напоминающее картофелину, но его фактическая форма оказалась значительно более замысловатой. Кому-то она напоминала пробку, а одна из моих коллег, занимавшаяся созданием оборудования для посадочного модуля Philae, увидела в ней сыр «моцарелла».

Долететь до кометы было, пожалуй, самой простой частью задачи. Движение сквозь Солнечную Систему — спокойное и быстрое, как поездка по немецкому автобану. Но когда мы добрались до цели, то оказались на горной дороге в Италии: чтобы выйти на орбиту вокруг ядра, пришлось выполнить множество сложных маневров, напоминающих езду по «серпантину». Основная проблема заключалась в том, что для расчетов необходимо знать точную массу кометы, которая, разумеется, не была нам известна, поэтому приходилось принимать решения на базе предположений и предварительных данных.

Через пару недель мы собрали достаточно сведений о силе притяжения кометы, чтобы с приемлемой точностью установить ее массу. С 6 августа по 10 сентября кипела самая сложная и скрупулезная работа в рамках миссии — расчет параметров и характеристик, которые нужно учесть для планирования орбиты и посадки исследовательского модуля на поверхность ядра. Тяжело объяснять широкой публике, насколько сложны такие расчеты: на пояснения к каждому графику требуется несколько часов. В частности, одной из основных проблем была микрогравитация — притяжение в миллиард раз слабее земного. В условиях микрогравитации находятся, например, астронавты на Международной космической станции.

В июле 2014 г. Rosetta прошла точку, в которой сила притяжения кометы превысила силу притяжения Солнца. Тогда нам и удалось произвести расчет массы ядра, измерив ускорение зонда. Еще одним важным фактором было давление солнечного света. Падая на фотогальванические панели, фотоны сообщают им энергию и отталкивают аппарат. Хоть это давление чрезвычайно мало, в подобных условиях его тоже нужно брать в расчет.

Кометы — активные небесные тела. Лед сублимируется и вырывается в космос в виде потоков газа, порождая аэродинамические силы, воздействующие на объекты в окрестностях ядра. Кроме того, чем ближе Rosetta подходила к его поверхности, тем сильнее ощущалась неоднородность гравитационного поля, обусловленная сложностью рельефа. Даже небольшая возвышенность может серьезно повлиять на движение спутника.

Очевидно, что чем ниже орбита, тем более выражено это влияние. То, что нам удалось успешно произвести такие тонкие расчеты и учесть массу разнообразных факторов, можно считать важнейшим инженерным достижением миссии. Однако самореализация инженеров не была главной целью проекта — впереди нас ожидала посадка исследовательского модуля на поверхность кометного ядра.

Rosetta представляет собой аппарат размером 2x3x2,5 м и весом около трех тонн, причем размах солнечных панелей составляет 32 м. Посадочный модуль Philae по размеру сопоставим со стиральной машинкой. Длина кометы — около 5 км, что примерно равно высоте горы Монблан. Итак, мы пролетаем над Монбланом и хотим приземлить стиральную машинку на один из покрывающих его ледников. Основной аппарат находится в 15-20 км от поверхности. Таким образом, нам предстоит выбросить стиральную машинку из иллюминатора самолета с высоты 20 км.

Philae не имел никаких систем навигации либо управления: его спуск был, по сути, баллистическим. Таким образом, точность попадания в запланированное место зависела исключительно от правильного расчета времени, положения основного аппарата и скорости, изначально приданной «стиральной машинке». В условиях микрогравитации спуск занял целых 7 часов. Если бы при отделении мы задали изначальную скорость с ошибкой всего на сантиметр в секунду, через 7 часов Philae оказался бы в 250 м от намеченной точки посадки. Для объекта, размер которого составляет всего 5 км, таким отклонением нельзя пренебречь.

Я хотел бы привести несколько примеров для демонстрации масштабов расстояний. Давайте представим, что Земля — это теннисный мяч. В таком случае диаметр Луны составил бы всего 1,5 см, а располагалась бы она в 1,5 м от нашей планеты. Расстояние от Земли до Луны меняется, но в среднем составляет около 384 тыс. км. В то же время комета Чурюмова-Герасименко находилась в 500 млн км от нас, и в предложенном масштабе от нее нас отделяло бы 2 км, а размер ее ядра составлял бы всего 20 нанометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Посадочный модуль Philae — наша «стиральная машинка» — тогда был бы не больше молекулы гемоглобина. Итак, нам удалось сделать следующее: запустить молекулу гемоглобина с теннисного мячика и посадить на срез человеческого волоса на расстоянии 2 км.

Во время спуска модуля на комету Rosetta снимала его сверху и передавала фотографии удаляющегося аппарата на Землю. Сам модуль запечатлел множество удивительных видов по мере сближения с ядром. Рассматривая эти снимки, можно представить, что видели бы астронавты, если бы он был пилотируемым аппаратом. Последнюю фотографию Philae сделал перед самой посадкой, всего в 9 м от поверхности. Позже Rosetta прислала снимок места, куда он по плану должен был опуститься, но там был только оставленный им след. Позже я расскажу, почему так получилось.

Я родился в 1970 г. Помню, мой отец провел всю ночь перед телевизором, наблюдая за посадкой на Луну корабля Apollo. Поэтому мне нравится ассоциировать этот след на комете с тем самым легендарным снимком, запечатлевшим след человека на лунной поверхности.

Как же в итоге прошла посадка модуля? Мы наметили желаемое место и обозначили «зону погрешности» радиусом в пару сотен метров. Первое соприкосновение с поверхностью кометы произошло внутри этой зоны, примерно в сотне метров от запланированной точки — как вы помните, даже небольшое отклонение исходной скорости за семь часов спуска привело бы к значительному удалению модуля от цели. Фактическая ошибка составила всего 1,7 мм/с, что и привело к упомянутому «промаху». После касания Philae подпрыгнул, отскочил от поверхности — Rosetta сделала несколько его снимков после «отскока» — и вскоре пропал из поля нашего зрения. Не зная наверняка, где зонд коснулся ядра во второй раз, мы смогли лишь приблизительно рассчитать, как далеко он «отпрыгнул», и определить участок, где нам следовало его искать. Поиски продолжались довольно долго.

Несмотря на то, что проблемы при посадке не позволили модулю выполнить все задачи, запланированные в рамках миссии, первостепенные пункты программы были успешно реализованы. С помощью зонда Philae мы получили поистине бесценные сведения о ранней истории Солнечной системы.

Один из разработчиков камеры модуля сказал мне: «Только задумайся — с помощью аппарата, которому всего 20 лет, мы смогли сфотографировать породы, которым 4,7 млрд лет. Если бы модуль сел там, где запланировано, его бы окружала только мертвая пустыня, укрытая пылью и льдом. Благодаря тому, что так вышло, мы увидели нетронутые породы, первичный материал, из которого состоит комета, всего в 80 сантиметрах от объектива камеры». Многие исследователи были несказанно рады такому повороту событий — можно сказать, что результаты неожиданного отклонения от намеченного сценария превзошли самые смелые ожидания ученых.

Конечно, посадка Philae не была единственной задачей миссии. Rosetta пролетала совсем низко над ядром кометы, и с помощью ее камер мы получили множество потрясающих воображение фотографий поверхности. На некоторых снимках даже видна тень, отбрасываемая зондом.

Тем временем комета вместе с ним приближалась к Солнцу, и сублимация льда становилась все более интенсивной из-за возрастающего нагрева лучами светила. Однако чем больше газа вырывается из ядра, тем больше влияние аэродинамических сил на пролетающий поблизости аппарат — соответственно, снижение к самой поверхности становится все более опасным. На определенном этапе эта опасность стала нашей первостепенной проблемой. Газ прорывается сквозь верхние слои ядра, образуя пористую структуру и увлекая за собой кометное вещество: нам случалось наблюдать, как под давлением испаряющегося льда большие валуны отрывались и улетали в открытый космос. Пылевые бури, поднимавшиеся с поверхности кометы, часто мешали работе камер, закрывая обзор. Принимая во внимание эти факторы, ученым пришлось отдалить аппарат от кометного ядра, но это не нарушило наших планов — сбор и анализ вещества газово-пылевой оболочки кометы входили в первоочередные задачи миссии.

Кроме того, объектом научного интереса являлось изменение рельефа поверхности ядра с течением времени. Если на более ранних снимках были видны крутые склоны, напоминающие карьеры или террасы, то спустя год на тех же участках появились завалы, сравнявшие прежние возвышенности с уровнем окружающего ландшафта. По мере приближения к Солнцу активность кометы, меняющая ее вешний облик, возросла настолько, что подобные изменения стали заметны даже при сравнении снимков, сделанных с интервалом в сутки.

Наблюдались и другие интригующие события. Например, на некоторых фотографиях отчетливо и детально зафиксированы так называемые джеты — струи газа, вырывающиеся из-под поверхности ядра — на самых ранних этапах формирования.

Чтобы рассмотреть подобные явления с еще большими подробностями, с августа 2015 г. орбита зонда снижалась, пока его высота не достигла всего 3,9 км от центра массы кометного ядра. С такого незначительного расстояния были получены беспрецедентно детальные снимки поверхности, на которых можно различить даже мелкие элементы рельефа. У самого края одной из таких фотографий, сделанной меньше чем за месяц до окончания миссии, мы обнаружили нечто знакомое — модуль Philae, покоящийся в тени высокого утеса. Мой руководитель часто говорил, что мы непременно сможем отыскать его, и вот 2 сентября мы, наконец, его заметили — нашу маленькую «стиральную машинку», притаившуюся среди ледяных скал.

Вскоре после этого миссия была завершена. Многие спрашивают: почему нельзя было ее продолжить? Пройдя перигелий (ближайшую к Солнцу точку своей орбиты), комета, а вместе с ней и Rosetta, теперь удаляются от центра Солнечной системы в сторону ее холодных окраин. Несмотря на большой размах солнечных панелей, количество энергии, получаемой аппаратом, через какое-то время стало бы слишком мало, чтобы поддерживать его работоспособность. Мы рассматривали возможность повторно «пробудить» его в  2020 г., когда комета снова вернется к Солнцу, но затраты на сопровождение миссии при неясных перспективах ее возобновления представлялись нерациональными, и было принято решение полностью завершить ее в 2016 г.

Итак, достигнув минимально возможной высоты над поверхностью кометы, мы решили попытаться посадить аппарат на ее ядро, как модуль Philae (вообще в ESA любят проводить посадки). Было выбрано финальное место назначения: мы хотели, чтобы Rosetta угодила как раз в один из «свежих» кратеров. Это давало уникальный шанс собрать данные о недавно вышедшем на поверхность кометном веществе, из которого «соткана» вся наша планетная система, и изучить его с помощью газового спектрометра ROSINA. Камера OSIRIS сделала последний снимок с высоты примерно 10 м незадолго до столкновения аппарата с кометой. В этот раз точность соответствия запланированного и фактического места посадки была значительно выше: если Philae «промахнулся» на сотню метров, то Rosetta коснулась поверхности всего в 32 м от намеченной точки.

Часто ученых сравнивают с выросшими детьми, которые не прекратили искать ответы на фундаментальные вопросы о нашем существовании. Конечно же, мы догнали комету и посадили на нее модуль не только ради красивых фотографий. Прежде всего, мы хотели узнать больше о наших собственных истоках, о доисторических временах и первозданном материале, из которого создано все, что нас окружает, и, возможно, о происхождении самой жизни. Одним из главных результатов миссии стало обнаружение молекулярного кислорода. Кого-то это открытие не удивит — ведь в нашей собственной атмосфере его полно. Интерес состоит в том, что этот кислород был «запечатан» в кометном ядре и хранился там очень долгое время; скорее всего, он попал туда еще до образования Солнечной системы.

С точки зрения решения вопроса о происхождении жизни примечательным стало обнаружение базовых аминокислот (таких, как глицин), служащих основой для известных нам жизненных форм. Кроме того, в рамках миссии был найден целый ряд добиологических молекул, получивший прозвище «Зоопарк Розетты».

Конечно, для того, чтобы стать основой для зарождения жизни, эти базовые «кирпичики» должны оказаться в благоприятных условиях, где они, прежде всего, будут окружены жидкой водой… но поразителен тот факт, что если лед, в котором они хранятся, старше Солнечной системы — значит, они также попали туда до образования Солнца и планет. Таким образом, можно сделать вывод, что базовые элементы жизни не являются отличительной чертой нашей системы: скорее всего, они встречаются в космосе повсеместно. Соответственно, вероятность того, что Земля обладает уникальным набором веществ, необходимых для жизни, невелика. Со всей очевидностью результаты миссии Rosetta дают основания заключить, что с таким же успехом жизнь вполне могла зародиться и развиться во многих других уголках Вселенной.

Андреа Аккомаццо

Руководитель отделения солнечно-планетных миссий Центра управления полетами Европейского космического агентства (ESA) Дармштадт, Германия