Ozyrys wraca na Ziemię. Wiezie cenną przesyłkę z przeszłości, choć to tylko kamienie i pył

Jak dotąd próbki z powierzchni obcych ciał niebieskich, które trafiły na Ziemię, to te przywiezione z Księżyca czy asteroid. Udało się nam w przeszłości pozyskać także próbki materii z warkocza kometarnego oraz wiatru słonecznego, choć w ich przypadku trudno mówić o powierzchni. Bardzo pożądane są próbki z powierzchni Marsa i już poczyniono pierwszy krok w tym kierunku wysyłając łazik Perseverance, ale to wciąż odległa przyszłość.

Za to misja NASA o nazwie OSIRIS-REx właśnie teraz wkracza w bardzo ważny etap jakim jest powrót na Ziemię. Podobne zadanie, miała misja Hayabusa 2, która w grudniu 2020 roku przywiozła na Ziemię próbki asteroidy Rygu. Z perspektywy wyznaczonych zadań, OSIRIS-REx jest bardzo podobnym projektem, ale ze względu na inny obiekt badań, asteroidę Bennu, wyniki jego badań będą komplementarne w stosunku do tego co uzyska JAXA.

Misja OSIRIS-REx w skrócie

Sonda OSIRIS-REx dotarła do asteroidy 101955 Bennu w grudniu 2018 roku. Było to zakończenie wielomiesięcznej fazy zbliżania się, w trakcie której pojazd zmniejszał stopniowo odległość z 2 milionów kilometrów do około 7 km.

Przez prawie dwa lata OSIRIS-REx badał tę pobliską Ziemi asteroidę, która w prawie niezmienionej postaci przetrwała od czasów powstania Układu Słonecznego. Obserwacje były prowadzone z  orbit różnej wysokości, dokonano także wyboru miejsca, z którego pobrane będą próbki. Jako cel podstawowy wybrano lokalizację Nightingale (Słowik) utożsamianą z kraterem o średnicy około 140 metrów. To młoda struktura, która dawała gwarancję pozyskania świeżych próbek z powierzchni.

W 2020 roku przeprowadzono dwie próby zbliżenia sie do asteroidy. W trakcie drugiej z prób sonda zbliżyła się na 40 metrów, a potem oddaliła, by czekać na ostateczne zbliżenie 20 października, na odległość kilku metrów, tak aby robotyczne ramię mogło po rozwinięciu zagłębić się w powierzchni.

Gdy wizualizowano operację pobrania próbek, nie przypuszczano jeszcze, ze powierzchnia Bennu wygląda zgoła odmiennie

Przez ostatnie kilka miesięcy sonda sposobiła się do odlotu zaplanowanego na 10 maja 2021. Każdy z etapów misji, podróż do asteroidy, badania, ekstrakcja próbek i powrót to ciekawe wyzwanie związane z eksploracją kosmosu.

Być może nawet ciekawsze niż loty Ingenuity na Marsie, gdyż wykonywane w warunkach bardzo niskiej grawitacji pobliskiego ciała niebieskiego, a również z wykorzystaniem procedur autonomicznych. Próbki pobrano z miejsca w odległości 1 metra od teoretycznie zaplanowanej lokalizacji. 

Asteroida 101955 Bennu i jej orbita

Ziemia, a nawet Mars, to skaliste ciała niebieskie, których powierzchnia poddana była sporym zmianom od momentu ich powstania. Asteroidy takie jak Bennu są tym względem wyjątkowe. Dlatego próbki pobrane z jej powierzchni są tak cenne dla badaczy przeszłości Układu Słonecznego.

Bennu porusza się w przestrzeni pomiędzy orbitami Wenus i Marsa. Jej orbita przecina ziemską orbitę wokółsłoneczną

Bennu ma kształt zbliżony do kostki o wygładzonych krawędziach i narożnikach. Obiega Słońce w około 14 miesięcy. Jej orbita jest jednak wydłużona w porównaniu z orbitą Ziemi. Bennu zbliża się do Słońca na około 134 miliony kilometrów, a oddala na 202 miliony kilometrów. W swoim ruchu orbitalnym Bennu przecina orbitę Ziemi, dlatego jest zaliczana do kategorii potencjalnie niebezpiecznych dla nas asteroid. Wiedza o takich obiektach jest więc bezcenna w przypadku konieczności podjęcia potencjalnych działań zapobiegawczych.

Kupa gruzu, która ledwo trzyma się w całości

Bennu waży 78 miliardów kilogramów. Wydaje się to bardzo dużą masą, jednak średnie przyśpieszenie grawitacyjne na powierzchni tej asteroidy jest 160 tysięcy razy mniejsze od średniego przyśpieszenia na powierzchni Ziemi. Dla porównania na Marsie grawitacja jest tylko około 2,6 razy mniejsza.

Fragmenty z powierzchni Bennu wyrzucone w przestrzeń kosmiczną widoczne jako białe kropki na zdjęciu

Na dodatek materia tworząca Bennu zajmuje objętość, która w niektórych miejscach na równiku sięga tak zwanej powierzchni Roche’a. To miejsce, w którym grawitacja tej asteroidy jest równoważona przez siły działające na nią ze strony innych obiektów w Układzie Słonecznym.

Asteroida Bennu to najmniejszy obiekt w Układzie Słonecznym, na którego orbitę weszła sonda z Ziemi. Jej średnica to jedynie 525 metrów

Oznacza to, że Bennu można określić mianem kupy gruzu, która ledwo trzyma się w całości. Każde większe zderzenie z inną asteroidą może mieć poważne skutki nie tylko dla orbity Bennu, ale nawet dla jej struktury. Również operacja pobrania próbek, która wiązała się z wystrzeleniem wiązki gazu w powierzchnię Bennu musiała być dokładnie zaplanowana i obliczona. Poniżej wideo, które pokazuje trajektorie śledzonych przez OSIRIS-REx fragmentów Bennu, wrzuconych w komos. Asteroida stale traci materię, w trakcie misji zaobserowano kilkaset takich zdarzeń.

Głazy na powierzchni, czyli niespodzianka, która zafrasowała naukowców

Bennu klasyfikowana jest jako asteroida typu B. To podklasa typu C, który z kolei oznacza asteroidy bogate w węgiel, ze śladami wody w składzie powierzchniowym, z bardzo ciemną powierzchnią. Te przewidywania bazujące na obserwacjach z Ziemi zostały potwierdzone.

Nikt nie przypuszczał, że powierzchnia Bennu będzie pełna głazów

Jednak pierwsze obserwacje asteroidy z bliska były też ogromnym zaskoczeniem. Obserwacje w podczerwieni sugerowały, że powierzchnia Bennu powinna być gładka, a tu powierzchnia okazała się usiana głazami. Oznacza to, że teoretyczne modele takich asteroid trzeba zrewidować. Pomocna oprócz dwuletnich obserwacji z orbity samej asteroidy, będzie właśnie analiza składu przywiezionych jej fragmentów.

Zdjęcia wykonane z odległości 1,8 kilometra od Bennu. Lewe zdjęcie pokazuje obszar o boku długości 180 metrów, dwa mniejsze o boku długości 31 metrów

Miało być co najmniej 60 gramów próbek, a zebrano o wiele więcej

Przed misją zakładano, że uda się pobrać co najmniej 60 gramów próbek. Wedle szacunków w kapsule powrotnej zabezpieczono od 200 do 400 gramów, czyli misja powiodła się znacznie lepiej niż przewidywano. Pobrano nawet więcej, ale część uciekła zanim zabezpieczono pojemnik, ze względu na bardzo słabą grawitację w okolicy asteroidy.

Moment umieszczania zasobnika z próbkami w kapsule powrotnej

Bezpośrednim dowodem na sukces misji pobrania próbek w październiku 2020 roku są zdjęcia zawartości pojemnika na regolit. A także wideo poklatkowe ukazujące pomyślne zabezpieczenie przesyłki w kapsule powrotnej (Sample Return Capsule).

Pośrednie dowody to sekwencja zdjęć, ukazująca ostatni etap zagłębienia się kolektora na około 50 centymetrów we wnętrze Bennu i moment, gdy strumień azotu wystrzelony w kierunku powierzchni wzruszył regolit, by ten mógł wypełnić pojemnik na kamienie i pył. Są też zdjęcia sporego głazu, który w momencie pobierania próbek został odrzucony na około 12 metrów od miejsca gdzie znajdował się początkowo.

Wygląd lokalizacji Nightingale przed i po operacji pobrania próbek

Kamery OSIRIS-REx wykonały wiele sekwencji zdjęć na rożnych etapach orbitowania sondy wokół Bennu. Najdokładniejsze mapy mają dokładność 5 cm, to najprecyzyjniejsze pomiary jakie kiedykolwiek wykonano dla całego ciała niebieskiego. Mamy także pamiątkowe zdjęcie ze śladem jaki ludzkość odcisnęła na tej asteroidzie. Wykonano je 7 kwietnia, gdy sonda po raz ostatni zbliżyła się do Bennu na odległość 3,5 kilometra.

Mapa powierzchni Bennu

10 maja czyli moment opuszczenia orbity Bennu

Sonda OSIRIS-REx wyposażona w panele słoneczne (generują od 1,2 do 3 kW energii) przypomina sondy badające Marsa i jest to dobre skojarzenie. Jej system napędowy bazuje bowiem na konstrukcjach przygotowanych wcześniej dla misji Mars Recoinassance Oriter, a potem MAVEN i Juno, który orbituje wokół Jowisza.

Sonda w trakcie testów na Ziemi

By zapewnić maksymalną precyzję manewrów, szczególnie potrzebną przy tak małym obiekcie jak Bennu, sondę wyposażono w 28 silników. Cztery silniki główne, sześć silników o obniżonej sile ciągu, a także 16 pędników do kontroli wysokości orbity i dwa specjalne silniki manewrowe, które wykorzystano podczas operacji pobrania próbek.

Sonda w trakcie testów na wirówce

Jako paliwo OSIRIS-REx wykorzystuje hydrazynę (początkowo było jej 1245 kilogramów) przetrzymywaną w zbiorniku pod ciśnieniem z pomocą helu. Sporą część zapasów sonda zużyła w 2018 roku na manewry wejścia na bliską orbitę. A także w dniu odlotu, gdy główne silniki działały na pełnej mocy przez siedem minut nadając sondzie względną prędkość około 1000 kilometrów na godzinę, która pozwoliła sondzie ruszyć ku Ziemi. Poniżej dotychczasowe podsumowanie misji na wideo.

Kiedy próbki z Bennu wylądują na Ziemi? Co stanie się z OSIRIS-REx

To jest właśnie najciekawsze. Nie trzeba bowiem przerywać misji sondy OSIRIS-REx, by dostarczyć zasobnik z próbkami na Ziemię. Po prostu dostawa jest jednym z etapów misji, dzięki odpowiednio zaplanowanej trajektorii podróży. Po dwukrotnym okrążeniu Słońca sonda dotrze w pobliże Ziemi we wrześniu 2023 roku. Zgodnie z planem sonda ma przelecieć w odległości około 10 tysięcy kilometrów od Ziemi i w momencie zbliżenia zrzucić wspomniany zasobnik z cennym ładunkiem, który powinien spaść na terenie stanu Utah w pobliżu Salt Lake City.

OSIRIS-REx minie Ziemię i ruszy w dalszą podróż wokół Słońca, już znacznie bliżej, bo wewnątrz orbity Wenus. NASA jeszcze nie ma sprecyzowanych dalszych planów eksploracji. Wszystko będzie zależeć od kondycji sondy w 2023 roku i zapasów paliwa, a także powodzenia zrzutu próbek na Ziemię. Jeśli ta próba nie dojdzie do skutku, można będzie tak pokierować OSIRIS-REx, by w 2025 roku jeszcze raz zbliżył się do Ziemi.

Źródło: NASA, inf. własna, spaceflight101

Czytaj więcej o badaniach Układu Słonecznego:

• A gdyby asteroida miała właśnie uderzyć w Ziemię? Eksperyment i co o takich zagrożeniach wiemy
• Żelazne asteroidy mogą być warte fortunę - NASA zbada największą z nich
• Czy w końcu odkryjemy dziewiątą planetę w Układzie Słonecznym? Niekoniecznie