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