Twoja wyszukiwarka

KRZYSZTOF ZIOŁKOWSKI
LĄDOWANIE NA KOMECIE
Wiedza i Życie nr 5/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/2000

Współczesne badania dowiodły, że komety są pozostałościami tworzywa, z którego ponad 4.5 mld lat temu powstał Układ Słoneczny. Co więcej, prawdopodobnie to one dostarczyły na Ziemię materię organiczną, niezbędną dla rozwoju życia. Te urodziwe i rzadko oglądane ciała niebieskie mogą wiele powiedzieć o naszej przeszłości i pochodzeniu. Nic więc dziwnego, że chcemy lepiej poznać ich tajemnice.

Badania komet za pomocą sond kosmicznych zaczęły się w połowie lat osiemdziesiątych. Dogodnym momentem ich rozpoczęcia był powrót słynnej komety Halleya, która w lutym 1986 roku po raz kolejny przeszła przez najbliższy Słońca punkt swej orbity. Jej pojawienie się, podobnie jak poprzednio w latach 1835 i 1910, znacznie przyspieszyło rozwój astronomii kometarnej. Jednak tym razem mieliśmy już do dyspozycji techniki kosmiczne.

Lot przez warkocz

Kometa Halleya nie była pierwszą, która uchyliła rąbka tajemnicy sondzie międzyplanetarnej. Trochę niespodziewanie pierwszeństwo przypadło mniej znanej komecie Giacobini-Zinner.

Przez jej warkocz, w odległości około 7800 km od jądra, przeleciała we wrześniu 1985 roku sonda ICE (International Cometary Explorer). Pierwotnie przeznaczona była do badań okołoziemskich pasów radiacyjnych i wiatru słonecznego, lecz po serii pionierskich manewrów (wykorzystujących m.in. oddziaływanie grawitacyjne Księżyca) stała się sondą międzyplanetarną. Dzięki wykonanym przez nią obserwacjom udało się sprawdzić i potwierdzić teorię opisującą plazmowe warkocze kometarne .

Wyścig do Halleya

Sukces ICE został wkrótce przyćmiony dzięki przelotowi flotylli statków kosmicznych przez głowę komety Halleya. W marcu 1986 roku do jądra komety zbliżyły się dwie identyczne sondy radzieckie Wega i minęły je w odległości około 8500 km. Kilka dni później zachodnioeuropejska sonda Giotto dotarła na odległość zaledwie 600 km od jądra (tak bliskie przejście stało się możliwe m.in. dzięki dokładnemu zlokalizowaniu jądra przez sondy Wega). Znacznie dalej przeleciały dwie sondy japońskie: Suisei w odległości około 150 tys. km, zaś Sakigake aż 7 mln km. Z bardzo daleka, bo z odległości ponad 31 mln km, kometę Halleya śledziła też sonda ICE. Warto przypomnieć, że w skład aparatury naukowej sond Wega wchodziło urządzenie skonstruowane w Polsce (był to analizator fal plazmowych niskich częstotliwości).

Sondy przelatujące przez gazowo-pyłową otoczkę jądra komety były narażone na liczne niebezpieczeństwa. Giotto naliczył np. około 12 tys. uderzeń drobin pyłu, wśród których musiały też występować większe bryłki materii, gdyż część przyrządów sondy została uszkodzona. Tuż przed największym zbliżeniem do jądra poważnemu uszkodzeniu uległa kamera i ostatnie zdjęcia przekazane na Ziemię pochodzą z odległości 1700 km.

Trzecie spotkanie sondy kosmicznej z kometą miało miejsce w lipcu 1992 roku. Uruchomiony po kilkuletnim "uśpieniu" Giotto przeleciał wtedy w odległości około 200 km od jądra komety Grigg-Skjellerup. Niestety, uszkodzonej kamery nie udało się uruchomić i uzyskane tym razem wyniki nie były już tak atrakcyjne. Otrzymano jednak ciekawe dane dotyczące emisji gazu i pyłu z jądra komety oraz struktury jego plazmowej otoczki.

Pierwsza w XXI wieku

Na początku 2001 roku w pobliżu komety Wilson-Harrington może znaleźć się sonda Deep Space 1. Jej misja zainaugurowała amerykański program o nazwie Nowe Tysiąclecie (New Millennium Program), którego podstawowym celem jest testowanie nowych technologii badań kosmicznych. Deep Space 1 to pierwszy obiekt wyposażony w silnik jonowy zasilany energią słoneczną; na jej pokładzie znajduje się kilka nowatorskich, zminiaturyzowanych urządzeń służących m.in. do bardziej wydajnego niż dotychczas pozyskiwania energii słonecznej, a także do automatycznej nawigacji i telekomunikacji.

Misja rozpoczęła się 24 października 1998 roku. Sonda wykonała już wszystkie główne zadania, co zachęciło konstruktorów do wysunięcia projektu zbadania komety Wilson-Harrington. Niestety, w listopadzie ub.r. awarii uległy urządzenia służące do kontroli orientacji sondy w przestrzeni. Jeśli nie uda się opracować zastępczego sposobu orientacji, dalsze plany dotyczące sondy Deep Space 1 staną pod znakiem zapytania.

Łowy na pierwotny pył

Do najciekawszych i najbardziej obiecujących misji związanych z badaniem komet należy lot amerykańskiej sondy Stardust, który rozpoczął się 7 lutego 1999 roku. Głównym jej celem jest przechwycenie i dostarczenie na Ziemię materii z głowy komety Wild 2 oraz cząstek pyłu międzygwiazdowego (który został odkryty w Układzie Słonecznym w 1993 roku przez sondę Ulysses). Po trwającym prawie dwa lata pierwszym okrążeniu Słońca Stardust na początku 2001 roku powróci w pobliże Ziemi, aby, wykorzystując jej siły grawitacyjne, zwiększyć swą prędkość.

1 stycznia 2004 roku sonda dogoni kometę i minie jej jądro w odległości około 100 km.Pobierze przy tym próbki materii kometarnej i przeprowadzi wszechstronne badania jądra oraz jego otoczki gazowo-pyłowej. Po trzecim okrążeniu Słońca Stardust znowu znajdzie się w pobliżu Ziemi i 15 stycznia 2006 roku zasobnik z gazem i pyłem kometarnym zostanie sprowadzony na naszą planetę. Dwukrotnie podczas trwania misji, gdy sonda będzie się poruszała mniej więcej równolegle do kierunku strumienia cząstek pyłu międzygwiazdowego, zostaną podjęte próby przechwycenia również i tej materii.

Plany NASA I ESA

Kolejna sonda kometarna ma wystartować w sierpniu 2002 roku, rozpoczynając w ten sposób amerykańską misję Contour (COmet Nucleus TOUR). Jej celem są trzy obiekty z rodziny komet krótkookresowych (ramka: "Komety dla początkujących" na s. 30). W listopadzie 2003 roku sonda spotka się z dobrze znaną astronomom kometą Encke, przelatując w odległości około 100 km od jej jądra. Na wykonanych podczas przelotu zdjęciach będzie można zobaczyć szczegóły o rozmiarach 4 m. W czerwcu 2006 roku Contour zbliży się do komety Schwassmann-Wach-mann 3, zaś w sierpniu 2008 roku do komety d'Arrest. Dwa ostatnie obiekty nie wyróżniają się niczym szczególnym wśród komet krótkookresowych i zostały wybrane jako cel misji wyłącznie ze względu na korzystne usytuowanie ich orbit.

Zupełnie typowa kometa będzie także celem najbardziej ambitnej spośród przygotowywanych obecnie misji badawczych. Europejska Agencja Kosmiczna ESA, słusznie chlubiąca się doświadczeniem, jakie przyniósł jej pełen sukcesów lot sondy Giotto, zaprojektowała misję kosmiczną Rosetta, podczas której na powierzchni jądra komety Wirtanen ma zostać osadzony lądownik z bogatym zestawem przyrządów pomiarowych.

Start Rosetty ma nastąpić w styczniu 2003 roku, a jej lot do komety Wirtanen będzie trwał prawie 9 lat. Aby dotrzeć do celu, sonda wykorzysta siły grawitacyjne Marsa i Ziemi. Dzięki takiemu "wspomaganiu grawitacyjnemu" będzie można zmniejszyć zapas paliwa niezbędnego do przyspieszania i manewrów. Osiągnięcie komety wyłącznie za pomocą silników wymagałoby użycia tak wielkiej ilości paliwa, że masa startowa sondy byłaby wielokrotnie większa od maksymalnego ładunku, jaki mogą wynieść w kosmos najpotężniejsze współczesne rakiety.

W drodze do komety Rosetta zbliży się do dwóch planetoid: w lipcu 2006 roku do niewielkiej Otawary (której rozmiary ocenia się na około 20 km), zaś niemal dokładnie dwa lata później do znacznie większej Siwy (której średnica przekracza 110 km). Oba spotkania z planetoidami zostaną oczywiście wykorzystane do możliwie wszechstronnego zbadania tych obiektów.

Tor lotu Rosetty z Ziemi do komety Wirtanen. Podczas lotu kometa skorzysta z grawitacyjnego wsparcia ze strony Marsa i Ziemi

Sonda dotrze do komety Wirtanen w końcu listopada 2011 roku. Rozpoczną się wtedy długotrwałe i skomplikowane manewry, mające na celu wprowadzenie jej na orbitę wokół jądra komety. Tak, nie ma tu żadnej omyłki: Rosetta ma zostać pierwszym w historii sztucznym księżycem komety! Krążąc wokół jądra po zacieśniającej się spirali, wyszuka miejsce, na którym w sierpniu 2012 roku nastąpi próba osadzenia lądownika. Aby zilustrować ogrom związanych z tym problemów technicznych i nawigacyjnych, wystarczy przypomnieć, że ze względu na znikomą siłę ciążenia lądownik o masie około 100 kg waży na jądrze kometarnym mniej niż jeden gram! Jeśli wszystkie manewry przebiegną pomyślnie, przyrządy pomiarowe sondy i lądownika będą mogły po raz pierwszy w historii dokładnie śledzić wzrost aktywność komety w miarę jej zbliżania się do Słońca. Zakończenie misji Rosetty przewidziane jest na lipiec 2013 roku, gdy kometa Wirtanen osiągnie położony najbliżej Słońca punkt swej orbity.

Polski udział

Prawie dwuletni okres wspólnego lotu Rosetty i komety Wirtanen poświęcony będzie wszechstronnym badaniom materii komet. W przygotowywaniu eksperymentów naukowych i budowie aparatury dla ich realizacji uczestniczy wiele krajów, wśród których jest także Polska. W Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie powstaje główny fragment jednego z podstawowych instrumentów lądownika Rosetty. Polscy naukowcy i technicy zaprojektowali i budują urządzenie, które wysunie z lądownika penetrator i wbije go w jądro komety. Penetrator zostanie wyposażony w skonstruowane również w kraju urządzenia pomiarowe (gęstościomierz izotopowy oraz czujniki temperatury i przewodnictwa cieplnego)). W rodzimych warsztatach powstają ponadto elementy aparatury do naziemnych testów wyposażenia lądownika i sondy. Powierzenie Polsce odpowiedzialnych zadań w jednej z najbardziej prestiżowych i zaawansowanych technologicznie misji kosmicznych początku przyszłego stulecia świadczy o uznaniu, jakim nasze badania cieszą się na świecie.

Najciekawsze cele przeszłych i przyszłych misji kometarnych

Giacobini-Zinner: odkryta w 1900 roku. Obiega Słońce raz na 6.5 roku po orbicie przechodzącej bardzo blisko orbity Ziemi. Znana przede wszystkim jako macierzysty obiekt październikowego roju meteorytowego Drakonidów.

Halley: W 1705 roku Edmund Halley przewidział, iż kometa obserwowana w latach 1531, 1607 oraz 1682 powróci w pobliże Słońca w 1758 roku. Trafność tej przepowiedni sprawdzono 16 lat po śmierci uczonego i od tej pory kometa nosi jego imię. Obiega Słońce raz na 76 lat, zbliżając się do niego bardziej niż Wenus i oddalając bardziej niż Neptun. Jej pierwsze udokumentowane pojawienie się jest datowane na 240 rok p.n.e.

Wilson-Harrington: niezwykły obiekt, odkryty w 1949 roku jako kometa, wkrótce po tym zgubiony i odnaleziony w 1992 roku jako... planetoida (obecnie obserwujemy jedynie martwe jądro komety, której aktywność całkowicie zanikła). Obiega Słońce w okresie nieco dłuższym niż 4 lata.

Wild 2: odkryta w 1978 roku. Dawniej obiegała Słońce po orbicie przebiegającej na zewnątrz orbity Jowisza. W 1974 roku jej ruch został zakłócony przez Jowisza, którego minęła w odległości zaledwie 900 tys. km. Obecnie okrąża Słońce raz na 6 lat, zbliżając się na niewielką odległość do Ziemi. Zawiera materię, na którą promieniowanie słoneczne miało dotychczas niewielki wpływ, i może dostarczyć więcej informacji o początkach Układu Słonecznego niż inne komety krótkookresowe.

Encke: odkryta w 1786 roku. Wśród znanych komet ma najkrótszy okres obiegu wokół Słońca (3.3 roku). Nigdy nie oddala się zbytnio od Ziemi i jest jedną z nielicznych, które mogą być stale obserwowane. W pierwszej połowie XIX wieku zauważono, że każdy następny jej obieg wokół Słońca trwa o około 2.5 godz. krócej niż poprzedni. Model jądra komety, który pozwolił wyjaśnić to zjawisko, opracowano dopiero w drugiej połowie XX w. .

Wirtanen: odkryta w 1948 roku. Okrążała wtedy Słońce raz na niespełna 7 lat. Po zbliżeniach do Jowisza w latach 1972 i 1984 okres ten zmniejszył się do 5.5 roku. Obecnie jej orbita jest silnie wydłużona, a jej minimalna i maksymalna odległość od Słońca są odpowiednio równe promieniowi orbity Ziemi i promieniowi orbity Jowisza. Jej jądro najprawdopodobniej ma rozmiary rzędu 1 km i wiruje w tempie jednego obrotu na 6 godz.

Komety dla początkujących

Jądra komet mają rozmiary od kilku do kilkudziesięciu kilometrów Stanowią konglomerat lodów (przede wszystkim wodnego, a także tlenku i dwutlenku węgla, metanu i amoniaku) oraz drobin krzemianowych i metalicznych. Ogromna ich większość krąży wokół Słońca na dalekich peryferiach Układu Słonecznego (w tzw. Obłoku Oorta). Wskutek zakłóceń ze strony sąsiednich gwiazd i pola grawitacyjnego Galaktyki mogą przejść do wnętrza Układu, na silnie wydłużone orbity, po których obiegają Słońce raz na kilkadziesiąt lub nawet kilkaset lat. Obserwujemy je jako komety długookresowe, których przykładem jest kometa Halleya. Pod wpływem sił grawitacyjnych wielkich planet mogą z kolei przejść na ciasne orbity mieszczące się we wnętrzu orbity Jowisza, po których obiegają Słońce raz na kilka, kilkanaście lat. Obserwujemy je wtedy jako komety krótkookresowe, których przykładem jest kometa Encke.

Gdy jądro zbliża się do Słońca, rozpoczyna się sublimacja zestalonych gazów. Uwalniany gaz porywa ze sobą cząstki pyłu i w ten sposób powstaje rozległa, gazowo-pyłowa otoczka zwana komą, która wraz z zanurzonym w niej jądrem tworzy tzw. głowę komety. Gazy i pyły uwalniane z jądra są początkowo skierowane głównie ku Słońcu. Ciśnienie promieniowania słonecznego i wiatr słoneczny (strumień emitowanych z górnych warstw atmosfery Słońca, szybkich cząstek elementarnych) szybko zdmuchują materię komy w przeciwnym kierunku. Zjonizowane atomy i cząsteczki są unoszone przez wiatr i związane z nim pole magnetyczne, tworząc wąski, skierowany wprost od Słońca warkocz zwany jonowym lub plazmowym. Główną siłą działającą na ziarna pyłu jest natomiast ciśnienie promieniowania. Poddany działaniu innych sił warkocz pyłowy jest skierowany nieco inaczej niż warkocz plazmowy; często ma też charakterystyczne wygięcie.

Większe ziarna pyłu oraz grudki materii odkruszonej od jądra zostają rozsiane wzdłuż orbity komety i dają początek strumieniowi meteoroidów. Zgodnie z efektem odrzutu, materia wypływająca z jądra wywiera na nie pewną siłę. Ponieważ jądro obraca się wokół osi, siła ta nie jest jednak skierowana wprost od Słońca. W zależności od kierunku obrotu jądra usiłuje je więc nie tylko odepchnąć od Słońca, lecz także wyhamować lub przyspieszyć w jego ruchu orbitalnym. Kiedy mamy do czynienia z pierwszą możliwością, kometa zacieśnia swą orbitę tak, jak to robi kometa Encke.

Dr KRZYSZTOF ZIOŁKOWSKI jest sekretarzem naukowym Centrum Badań Kosmicznych PAN i znanym popularyzatorem nauki.