Az üstökösök kutatásának célja

Az üstökösök nem csupán vízből, valamint szilárd anyagból, szerves és szervetlen illékony gázokból álló és a Nap közelében – kómájuknak köszönhetően – látványos égi jelenségként mutatkozó apró égitestek, hanem egy óriási kirakósjáték darabjai. Az üstökösök főként a Naprendszer távoli tartományában, az Oort-felhőben tartózkodnak, de külső perturbáció hatására egyikük-másikuk pályája jelentősen módosulhat, és elnyúlt pályájukon a Naprendszer belsejébe kerülhetnek. Anyaguk a korai Naprendszer anyagát őrzi, így tanulmányozásukkal bolygónk és az egész Naprendszer kialakulására is következtethetünk. Vizsgálatukkal olyan kérdésekre keressük a választ, mint hogy mikor és hogyan kerülhetett a földi óceánok hatalmas vízmennyisége a Földre, valamint hogy az élet kialakulásához szükséges szerves molekulák származhattak-e az üstökösökről. Az üstökösök vizsgálata egészen a 80-as évekig csak távcsövekkel volt lehetséges; ekkor kezdődtek meg az űrszondás vizsgálatok az üstökösök melletti elrepülésekkel. Az első mintavételre – egyelőre a kóma anyagából – a 2000-es évek közepén került sor, amikor a Stardust űrszonda áthaladt a Wild-2 üstökös kómáján. 2014-ben aztán a Rosetta-küldetéssel Európa és az egész emberiség újabb fontos mérföldkőhöz érkezett az üstökösök tanulmányozásának területén.

A Rosetta-küldetés

Az Európai Űrügynökség Rosetta nevű űrszondáját 2004. március 2-án bocsátották fel azzal a céllal, hogy aktivizálódásának kezdetétől – a Naptól több mint 3 csillagászati egység távolságtól – az égitest napközeli pontjáig legalább egy éven át helyben tanulmányozza a 67P/Churyumov–Gerasimenko-üstököst. Az űrszonda emellett egy közel 100 kg tömegű leszálló egységet (Philae) is magával vitt, hogy annak műszereivel közvetlenül az üstökösmag felszínén végezzenek tudományos méréseket (Glassmeier et al., 2007).

Ahhoz, hogy tíz évvel később az űrszonda sikeresen elérje célját, gravitációs hintamanőverek sorozatára volt szükség. Háromszor (2005-ben, 2007-ben, valamint 2009-ben) a Föld és egyszer (2007 februárjában) a Mars mellett elhaladva szerzett akkora lendületet, amellyel lehetővé vált az üstökös megközelítése, majd az égitest körüli pályára állás. Útja során a Rosetta űrszonda elhaladt a Lutetia és a Steins kisbolygók mellett, ahol értékes tudományos vizsgálatokat is végzett. A hosszú út során az űrszonda irányítói rendszeresen tartottak tesztkampányokat, amikor a fedélzeti szolgálati berendezések, valamint a tudományos műszerek működését ellenőrizték. 2011 júniusára az űrszonda olyan távol került a Naptól, hogy napelemtáblái – egyéb energiaforrások hiányában – nem lettek volna képesek az üzemeltetéshez szükséges energiát biztosítani. Ezért előre tervezett módon az űrszondát hosszú időre kikapcsolták; ezt mély hibernációnak nevezték el. A mély hibernációs szakasz 2014 januárjában ért véget, amikor a Rosetta – előre beprogramozott parancsra – sikeresen életre kelt. Pár hónappal később a Philae műszereinek mély hibernáció utáni működőképességét is ellenőrizték. 2014. augusztus 6-án végül a Rosetta elérte célját, az átlagosan mindössze 4 km átmérőjű 67P/Churyumov–Gerasimenko-üstököst. A pályára állást, valamint a feltérképezést követően kijelölték a leszállás tervezett helyszínét.

2014. november 12-én reggel 8:35-kor (minden időpont GMT-ben), az üstökös felszíne felett 20,5 km-es magasságban a leszálló egység levált az anyaszondáról. A Philae 15:34:04-kor érte el az üstökös felszínét, de sem a talajhoz nyomást biztosító gázfúvóka, sem az ott-tartást biztosító horgonyok kilövőszerkezete nem lépett működésbe. A leszállóegység ezért „visszapattant” (ami az igen kis gravitáció miatt igen lassú mozgást jelent), és többszöri talajérintés után 17:31:17-kor érte el végső pozícióját – a tervezett leszálló- (és első talajérintési) helytől több, mint egy km távolságban, valószínűleg egy hasadékban (Biele et al., 2015).

A Philae műszerei

A leszálló egység műszerei által végzett tudományos vizsgálatok célja az üstökösmag összetételének és felépítésének helyben történő vizsgálata volt, különös tekintettel az üstökös felszíni és felszín alatti anyagának elemi, molekuláris, ásványtani és izotóp-összetételére. A Philae-n összesen tíz tudományos műszert, illetve műszeregyüttest helyeztek el; ezek tömege hozzávetőleg 21 kg. Helyzetüket a leszállóegységen az 1. kép mutatja. A műszerek között szerepel egy hat kamerából álló, panoráma- és mikroszkopikus képek készítésére is alkalmas képfelvevő rendszer (CIVA), amellyel a kutatók az infravörös és a látható hullámhosszú tartományban tudtak felvételeket készíteni, valamint a ROLIS-rendszer, amellyel az első felszínközeli felvételek készültek a leszállóhelyről. Az SD2 fúró, mintavevő és elosztó segítségével az üstökös felszínét alkotó anyag közvetlen vizsgálatára is lehetőség nyílt. A műszer a begyűjtött mintákat analízis céljából a spektrométerekhez (COSAC, PTOLEMY), valamint mikroszkópos vizsgálatokhoz (CIVA) továbbította. Az APXS-műszer a Mars Pathfinderen már használt alfa-proton-röntgen spektrométer egy továbbfejlesztett változata, mellyel a leszállóegység alatti felület vegyi elemzésére nyílt lehetőség. A MUPUS többcélú tudományos műszer az üstökösfelszín sűrűségének, hőtani és mechanikai sajátosságainak vizsgálatára szolgált. A MUPUS legfontosabb része a 40 cm hosszú kihajtható rúd végén helyet foglaló kalapáló- és mérőberendezés. Az üstökösmag rádióhullám-terjedési kísérletben (CONSERT) rádiotomográfos módszerrel vizsgálták az üstökös belső szerkezetét. Ez az egyetlen olyan kísérlet a Rosetta-küldetés tudományos programjában, amelynek műszereit részben az anyaszondára, részben pedig a leszállóegységre telepítették. A ROMAP (ROsetta MAgnetometer and Plasma monitor) műszeregyüttes két kísérletet, a MAG-ot és az SPM-et integrálja. Feladata, hogy adatokat szolgáltasson az üstökösmag mágneses tulajdonságairól, az üstökös/napszél kölcsönhatásról és az üstökös aktivitásáról a naptól való távolság függvényében. A SESAME nevű felszíni elektromos, hang- és akusztikus monitorozó kísérlet három műszert foglal magában: a CASSE akusztikus kísérletet, melynek segítségével az üstökös legfelső rétegének jellemzői vizsgálhatók, a PP-permittivitásmérőt és a DIM-pordetektort. A DIM- (2. kép) és az SPM-detektorok (3. kép) fejlesztésében, megépítésében és a mérési adatok kiértékelésében az MTA Energiatudományi Kutatóközpont mérnökei és kutatói vettek, illetve vesznek részt.

2. kép • A Philae tetejére szerelt DIM-pordetektor (forrás: MTA EK, MPS)

3. kép • A ROMAP kombinált mérőfeje,

forrás: Technische Universität Braunschweig)

A magyar részvétel kapcsán fontos megemlíteni, hogy a Philae hibatoleráns központi vezérlő és adatgyűjtő számítógépét az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és az SGF Kft. mérnökei fejlesztették, míg a leszállóegység tápellátó rendszere a BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Űrkutató Csoportjának jelentős közreműködésével készült.

A leszállóegység tudományos programja

A Philae működését három alapvető szakaszra osztották:

Az első, ún. SDL- (Separation, Descent, Landing) fázisban történt meg az anyaszondáról való leválás, az üstökös magjához repülés és a felszínre szállás. Ennek időtartama kb. 7 óra volt. A repülés kezdetén nyitották ki a Philae lábait, a CONSERT antennáját és a ROMAP detektorának tartórúdját. A leszállás alatt folyamatosan üzemelt a ROMAP magnetométere, mellyel párhuzamosan összehasonlító méréseket végeztek az anyaszonda magnetométerével, valamint a CONSERT; szakaszosan működött a CIVA ROLIS és a SESAME DIM pordetektora.

A leszállás utáni második, ún. FSS- (First Science Sequence) fázisban került sor az első felszíni tudományos mérésekre, melyek során – szakaszosan – valamennyi tudományos műszert bekapcsolták. Az SDL- és FSS-fázisokban a Philae fedélzeti tápellátását az addig „érintetlen” lítium-elemek (Primary Battery) biztosították; az FSS végső szakaszában a Philae napelemei által tölthető akkumulátorok (Secondary Battery) „besegítését” is tervbe vették.

A harmadik, ún. LTS- (Long Term Science) fázist több hónapra tervezték, melynek során – a Philae hőmérsékletének és az akkumulátorok töltöttségi állapotának figyelembe vételével – az egyes műszerek szakaszosan mérnek.

Mérési eredmények az üstökös felszínéről

A ROLIS leszállás közben készült felvételein, valamint a CIVA által készített panorámafelvételen a vártnál sokkal durvább és változatosabb üstökösfelszín rajzolódik ki. A porral és törmelékekkel borított felszínen a kövek, sziklaszerű képződmények mérete több nagyságrenden belül változik (4. kép). Ezen kívül a 67P/Churyumov–Gerasimenko számos egyéb meglepetéssel is szolgált a kutatók számára; az alábbiakban az érdekesebb tudományos eredményekből szemezgetünk.

Mágneses tér mérések • Az elméletek szerint az üstökösök és a Naprendszer nagyobb égitestjei anyagának összeállása során a véletlenszerű ütközések és a szemcsék összetapadása, valamint a gravitációs kölcsönhatás mellett a mágneses erőnek is szerepe lehetett. Mivel a mágneses dipólustól származó térerősség a távolság harmadik hatványával csökken, ahhoz, hogy egy ilyen kisméretű égitest esetleges globális mágneses terét ki lehessen mutatni, közeli elrepülésekre, illetve felszíni mérésekre van szükség. A Rosetta űrszonda keringőegységén elhelyezett Rosetta Plasma Consortium fluxgate magnetométer (RPC-MAG) és a Philae fedélzetén levő ROMAP magnetométere segítségével a mágneses indukcióra vonatkozó párhuzamos mérésekre nyílt lehetőség. A ROMAP magnetométerét a leszállóegység műszerei közül elsőként, már a leválás előtt két órával bekapcsolták. A mágneses mérések szempontjából szerencsés módon a Philae – az üstökösmagra történő leszállása közben – a felszínt több ponton is érintette. Az eredmények alapján az azonos időben végzett mágneses mérések között nincs számottevő különbség, és az üstökösmag globális mágneses tere nem mutatható ki. Amennyiben a 67P/Churyumov–Gerasimenko tulajdonságai a többi üstökösre is jellemzőek, akkor ezen égitestek kialakulásakor a méternél nagyobb építőelemekre valószínűleg nem voltak hatással a mágneses erők. A tudományos eredmények mellett az RPC-MAG és a ROMAP magnetométer adatainak összevetéséből a kutatók pontosan rekonstruálni tudták a Philae orientációját és forgási paramétereit; a kinyúló rúdon lévő detektor rezdüléseiből másodperc pontossággal meg tudták határozni az egyes talajérintések időpontját (Auster et al., 2015).

Az üstökös felszínének mechanikai tulajdonságai • További meglepő eredményekre jutott a leszállóegység MUPUS nevű műszercsomagja is. Ugyan a végül ki nem eresztett rögzítőszigonyokban található érzékelőkkel nem lehetett méréseket végezni, a Philae testén elhelyezett, a hőmérséklet mérését végző műszer végig, már az ereszkedés és mindhárom talajt érés során működött. A leszállás helyén, még ki nem nyitott állapotban 120 K-t mértek, ami fél óra alatt közel 10 fokot süllyedt. A nappalok és éjszakák váltakozása során a hőmérséklet 90 K és 130 K között változott. Miután a berendezés belemélyedt a felszín anyagába –, a közvetlenül a felszín alatt levő üstökösanyag vizsgálatának céljából – kalapáló mozgásba kezdett. Az eredményekből a kutatók arra következtettek, hogy a felszínt borító porózus réteg alatt a tömör jéghez hasonló keménységű anyag található. A berendezéssel ugyanis annak legnagyobb teljesítménye mellett sem sikerült néhány milliméternél mélyebbre ütni. Figyelembe véve, hogy az üstökös átlagsűrűsége 0,4 g/cm³, a jégnek a mélyebb rétegekben többé-kevésbé porózusnak kellene lennie (Spohn et al., 2015).

A CASSE-műszer eredményei a fentiekkel összhangban arra utalnak, hogy az üstökösmag felszínét finom porból álló néhány centiméteres réteg fedi, ami alatt egy kemény, jeges réteg húzódik. A CASSE többek között az első felszínt érés által kiváltott, közel 2 másodpercen át tartó hangfrekvenciás mechanikai rezgéseket rögzítette, és a kutatók ebből következtettek a felszín alatti anyag mechanikai tulajdonságaira (Gibney, 2014).

Az üstökös összetétele • Az SD2 fúró, mintavevő és -elosztó rendszert csak a mérési program végén kapcsolták be, kockáztatva, hogy a rögzítetlen leszállóegység pozíciója, illetve orientációja a mechanikai műveletek hatására esetleg megváltozik. Az SD2 a fúrófejét a terveknek megfelelően leeresztette 46,9 cm-rel a Philae balkonja alá, majd visszahúzta a kiinduló pozícióba. A fejlesztők szerint a mintaátadó művelet is lezajlott és a kemencék is rendben működtek, ám sem a COSAC-, sem a PTOLEMY-műszernek nem sikerült mintára utaló jelet kapnia. A kutatók gyanítják, hogy a fúrófej ahelyett, hogy az alatta levő kemény felszínbe behatolt volna, rögzítés hiányában csak a leszállóegységet emelte meg egy kissé. Mivel a mintavételhez a CIVA-MV/MI-től fényképfelvétel nem állt rendelkezésre, így egyelőre nem lehet teljes bizonyossággal eldönteni, hogy megtörtént-e a mintavétel, vagy csak a mintából nem keletkezett elegendő mennyiségű gáz a kemencében. Mindezek ellenére a COSAC-műszerrel az első talajt érintést követő „szaglászás” során az üstökösmagból eltávozó gázban sikerült szerves anyagok nyomára bukkanni. A PTOLEMY-kísérlet szakemberei is arról számoltak be, hogy víz és szerves molekulák nyomait sikerült kimutatniuk (Gibney, 2014).

Mérések a DIM-por-
és az SPM-töltöttrészecske-detektorral

A DIM-pordetektorral a leválás előtt egy órával és a leválást követően még összesen három alkalommal – az üstökös magjától különböző távolságokban – végeztek méréseket. A DIM egyik szenzora ekkor, az üstökös felszíne felett 2,4 km magasságban detektált egy minden bizonnyal üstökös eredetű részecskét. A kapott jel alapján nagy valószínűséggel egy 1–2 mm átmérőjű, a Philae-hez viszonyítva 0,1–0,7 m/s sebességgel haladó, laza szerkezetű részecskéről van szó. A mérési geometria alapján a kutatók arra következtettek, hogy a részecske valószínűleg kötött pályán keringett az üstökös körül. Az első talajérintés után a plazmamérések is elkezdődtek, melyek azután több mint hat órán át folytak. A végső talaj térést követően az SPM irányérzékeny plazmadetektorával – még a hasadékba esés előtt – sikerült megmérni a napszél pillanatnyi irányát és így a Philae felszíni pozícióját. A mérés azt is megmutatta, hogy a hasadékba „esés” az igen kis gravitáció miatt legalább negyed óra hosszat tartott. Ezt követően öt alkalommal, közel egy-egy órára a DIM-műszert is bekapcsolták. Úgy a DIM, mint az SPM mérési adatai arra engednek következtetni, hogy a Philae végső leszállóhelyén az üstökös aktivitása a leszállás idején még meglehetősen kicsi volt (Krüger et al., 2015).

Kitekintés

Az eredetileg tervezett hosszú távú tudományos mérésekre a Philae nem megfelelő pozíciója miatt hosszú ideig nem került sor. A Nap a leszállóegységet – az üstökös 12,4 órás tengely körüli körbefordulása alatt – mindössze másfél óra hosszan és meglehetősen kis szögben világította csak meg, így annak hőmérséklete sokáig igen alacsony volt (ami az akkumulátorok töltését lehetetlenné tette), és a napelemtáblák megvilágítása sem volt megfelelő mértékű. A Rosetta-programban dolgozó mérnökök és kutatók ugyanakkor reménykedtek benne, hogy az üstököspálya napközeli pontjának közelében a körülmények kedvező irányban változnak, a Philae hibernált állapotából „felébred”, rádión keresztül az anyaszondánál bejelentkezik és a mérések a felszínen újra megkezdődhetnek.

A 2015 első harmadában megkezdett, kapcsolatfelvételre irányuló kampányok június 13-án eredménnyel jártak, az anyaszonda rádiókapcsolatot teremtett a leszállóegységgel. Annak műszaki állapota a paraméterek alapján igen jónak tűnik, de a rádióösszeköttetések időtartama nagyon rövid, minőségük nem kielégítő, így ha történt is az elmúlt időszakban üstökösfelszíni mérés, azok eredményét eddig nem sikerült a Rosettára, majd a Földre továbbítani. A rossz rádiókapcsolatnak több oka is lehet: a Philae gázkitöréstől megváltozott helyzete, az antennáját beborító porréteg vagy az anyaszonda üstököstől való nagyobb távolsága. A stabil összeköttetésre irányuló próbálkozások tovább folynak.

Az anyaszonda távmérő érzékelői viszont folytatják sok hónaposra tervezett mérési programjukat. Az egységet a növekvő üstökösaktivitás és annak hatásai miatt ugyan a tervezettnél nagyobb sugarú pályára kellett állítani, de így is lehetőség nyílik a Naprendszer ősi anyaga tulajdonságainak és az üstökösök kialakulásának jobb megértésére.
 

A DIM- és SPM-műszerekhez való hazai hozzájárulás a PRODEX- és PECS-szerződések keretében valósult meg.
 

Kulcsszavak: üstökös, Rosetta, leszállás, in-situ vizsgálatok
 

IRODALOM

Auster, Hans-Ulrich – Apathy, I. – Berghofer, G. – Fornacon, K. H. – Remizov, A. – Carr, C. – Güttler, C. – Haerendel, G. – Heinisch, P. – Hercik, D. – Hilchenbach, M. – Kührt, E. – Magnes, W. – Motschmann, U. – Richter, I. – Russell, C. T. – Przyklenk, A. – Schwingenschuh, K. – Sierks, H. – Glassmeier, K. H. (2015): The Nonmagnetic Nucleus of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science. DOI:10.1126/science.aaa5102

Biele, Jens – Ulamec, S. – Maibaum, M. – Roll, R. – Witte, L. – Jurado, E. et al. (2015): The Landing(s) of Philae and Inferences on Comet Surface Mechanical Properties. Science. 349, 6247, DOI: 10.1126/science.aaa9816 • WEBCÍM

Gibney, Elizabeth (2014): Philae’s 64 Hours of Comet Science Yield Rich Data. Nature. 515, 7527, 311–458. DOI:10.1038/515319a • WEBCÍM

Glassmeier, Karl-Heinz – Boenhardt, H. – Koschny, D. – Kührt, E. – Richter, I. (2007): The Rosetta Mission: Flying towards the Origin of the Solar System. Space Science Reviews. 128, 1–4, 1–21. DOI: 10.1007/s11214-006-9140-8 • WEBCÍM

Krüger, Harald – Seidensticker, K. J. – Fischer, H.-H. – Albin, T. – Apathy, I. – Arnold, W. – Flandes, A. – Hirn, A. – Kobayashi, M. – Loose, A. – Peter, A. – Podolak, M. (2015): Dust Impact Monitor (SESAME-DIM) Measurements at Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astronomy & Astrophysics. (in print)

Spohn, Tilman – Knollenberg, J. – Ball, A. J. – Banaskiewicz, M. et al. (2015): Thermal and Mechanical Properties of the Near-surface Layers of 67P/Churyumov-Gerasimenko from in situ Measurements at Abydos with the MUPUS Instrument Package. Science. 349, 6247, DOI: 10.1126/science.aab0464

URL1