5 декабря 2020 года японский космический зонд «Хаябуса-2» совершил одно из самых значимых достижений в истории науки, успешно доставив на Землю 5,4 грамма образцов астероида Рюгу.
🕰 Подготовка миссии:
«Хаябуса-2» ( в переводе с японского означает «Ястреб-сокол-2») является преемником первой успешной миссии «Хаябуса», которая в 2010 году впервые в истории космонавтики доставила образцы астероида на Землю. Программа развивалась с 2007 года, когда JAXA начала изучение возможности создания следующего поколения аппаратов для исследования астероидов. В июле 2009 года Макото Йосикава из JAXA представил проект под названием «Hayabusa Follow-on Asteroid Sample Return Missions». В августе 2010 года японское правительство одобрило разработку «Хаябуса-2» с бюджетом в 149 миллионов долларов.
Целью миссии было исследование углеродистого астероида Рюгу (162173), известного также под названием 1999 JU3. Астероид имеет редкий спектральный тип Cb, диаметр примерно 900 метров, форму волчка с характерным экваториальным гребнем. Рюгу считается одним из самых древних объектов Солнечной системы, сформировавшимся в период, когда наша система только возникала. Ученые предполагали, что образцы с этого астероида содержат воду и органические соединения.
⚙️ Характеристики:
Аппарат «Хаябуса-2» был запущен 3 декабря 2014 года с космодрома Танегашима на японской ракете-носителе H-IIA. Аппарат конструктивно был спроектирован аналогично «Хаябусе», но включал значительные усовершенствования, разработанные за годы эксплуатации предшественника. Общая масса аппарата составляет 600 килограммов (включая топливо). Основные размеры корпуса 1,0 м × 1,6 м × 1,4 м при размахе солнечных батарей 6,0 метров.
Электроэнергия генерировалась двумя комплектами солнечных батарей общей мощностью 2,6 киловатта на расстоянии 1 астрономической единицы от Солнца и 1,4 киловатта на расстоянии 1,4 астрономической единицы. Энергия накапливалась в одиннадцати литий-ионных аккумуляторных батареях емкостью 13,2 ампер-часа каждая.
В Телеграмм канале «Этот день. Наука» публикуются сокращённые версии наших статей об открытиях и новости из научного мира - всё самое интересное за пару минут чтения.
🚀 Силовая установка:
Аппарат приводили в движение 4 ионных двигателя типа μ10, три из которых работали одновременно, генерируя суммарную тягу в 28 миллиньютонов. Эти двигатели работают на принципе микроволнового ионизирования ксенона, преобразуя инертный газ в плазму, которая ускоряется электрическими полями, создаваемыми за счёт энергии от солнечных батарей. Удельный импульс ионных двигателей обеспечивает эффективность в два раза выше, чем у традиционных химических ракетных двигателей. Запас ксенона на борту составил 66 килограммов. Кроме того, имелась система химических реактивных двигателей с использованием гидразина и компонента монометилгидразина (MON-3) общей массой 48 килограммов для маневрирования в поле тяготения астероида.
🔬 Научная аппаратура:
Космический аппарат был оснащен телескопической оптической навигационной камерой, широкоугольными камерами, ближним инфракрасным спектрографом для анализа минерального состава поверхности, тепловой инфракрасной камерой для определения температуры поверхности, а также лазерным дальномером (LIDAR) для измерения расстояния до поверхности и создания трехмерной модели астероида.
Система навигации включает две антенны для работы в диапазонах X и Ka-band с возможностью передачи данных со скоростью от 8 бит в секунду до 32 килобит в секунду, что позволяет обеспечивать надежную связь с аппаратом на расстояниях в сотни миллионов километров. Основной подрядчик: японская корпорация NEC.
🔍 Исследовательские аппараты:
Одной из самых инновационных частей миссии было развертывание на поверхности астероида Рюгу четырех небольших исследовательских аппаратов, включая роботов-попрыгунчиков MINERVA-II и европейский мобильный модуль MASCOT. Все эти аппараты были спроектированы для работы в условиях крайне слабого притяжения. Ускорение свободного падения на экваторе астероида составляет всего 0,11 миллиметра в секунду в квадрате, поэтому астероидные роверы передвигались путем прыжков вместо использования традиционных колес. HIBOU функционировал на протяжении 113 астероидных дней (36 земных), передав 609 снимков, а OWL работал 10 астероидных дней (3 земных), отправив 39 снимков с поверхности.
🪐 Операции по сбору образцов:
Основной целью миссии был сбор образцов с астероида, включая как поверхностный материал, так и материал из глубины, не подвергавшийся воздействию космической среды. Первая посадка для сбора поверхностных образцов произошла 22 февраля 2019 года, когда аппарат спустился к поверхности астероида. Хаябуса произвёл выстрел пулей из тантала массой 5 граммов, вылетевшей со скоростью 300 метров в секунду, в поверхность. Выбитый при этом материал был собран специальным «перехватчиком».
💥 Взрывное воздействие:
Для получения подповерхностных образцов, потребовалось создать искусственный кратер. Это было сделано 5 апреля при помощи свободно летающей пушки с медным снарядом. При помощи взрывного заряда был произведён выстрел медным снарядом массой 2,5 килограмма. Выбор меди для снаряда позволил ученым легко отличить её вкрапления от материала самого астероида при последующем анализе.
Снаряд создал кратер диаметром примерно 10 метров, выбросив материал из недр астероида на поверхность. Интересно, что последующие снимки показали минимальное сейсмическое потрясение астероида, что указывало на то, что Рюгу имеет значительно менее связную структуру, чем предполагалось ранее.
Вторая посадка для сбора подповерхностных образцов произошла 11 июля 2019 года вблизи созданного кратера. Всего в результате двух операций было собрано 5,4 грамма материала, что значительно превысило первоначальную цель.
🌍 Возвращение на Землю:
После завершения научных операций в ноябре 2019 года «Хаябуса-2» использовала ионные двигатели для изменения орбиты и возврата к Земле. 5 декабря 2020 года аппарат выпустил возвратную капсулу размером 40 сантиметров диаметре и массой около 16 килограммов Капсула вошла в атмосферу Земли со скоростью 12 километров в секунду, выпустила парашют на высоте примерно 10 километров и приземлилась на испытательный полигон Woomera в Южной Австралии.
Капсула была обнаружена через 5 часов после приземления. Её доставили в Центр изучения внеземных материалов JAXA (ESCuC) в Сагамихаре, Япония. Критически важным аспектом процесса изучения было сохранение чистоты образцов. Контейнер с образцами был открыт в специализированных вакуумной камере, чтобы предотвратить загрязнение земными материалами. Образцы обрабатывались исключительно в вакууме или в атмосфере из очищенного азота.
📊 Состав и характеристики образцов:
Всего было собрано 5,424 грамма материала. Из них 3,237 грамма были получены во время первой посадки на экваториальный гребень Рюгу и представляли собой поверхностный материал. Оставшиеся 2,025 грамма были добыты во время второй посадки возле искусственного кратера, и включали материал, выброшенный взрывным воздействием из глубины.
Средняя объемная плотность образцов составила 1,282 килограмма на кубический метр - это существенно ниже, чем у известных углеродистых метеоритов, найденных на Земле (CI хондриты имеют плотность 2,110 кг/м³). Такая низкая плотность указывает на высокую пористость образцов.
Спектральные характеристики образцов показали очень темные отражательные свойства (альбедо примерно 0,02 в видимом диапазоне), соответствующие углеродистым астероидам типа Cb.
🧬 Органические молекулы и аминокислоты:
Наиболее захватывающие открытия касались органического содержимого образцов. Ученые идентифицировали в образцах Рюгу более 15 различных аминокислот, включая глицин, аланин и α-аминомасляную кислоту. Эти аминокислоты присутствовали в виде рацемических смесей (равное количество право- и левовращающих форм), что подтверждает их абиотическое происхождение, не связанное с жизнью. Кроме того, в образцах были обнаружены полициклические ароматические углеводороды, сходные с земной нефтью, различные азотсодержащие органические соединения, гидроксикислоты и многие другие органические молекулы. Общее количество обнаруженных различных компонентов, состоящих из углерода, водорода, азота, кислорода и серы, составило примерно 20 000 различных вариантов.
В частности, было обнаружено уникальное соединение уракил — одно из оснований, входящее в состав рибонуклеиновой кислоты (РНК), что предполагает присутствие предбиотических органических молекул, которые могли быть задействованы в зарождении жизни.
Образцы содержат убедительные признаки водной альтерации (процесс изменения минералов под воздействием воды). Исследование с помощью изотопного анализа показало, что карбонатные минералы в образцах Рюгу кристаллизовались в результате реакций между водой и горными породами в первые 1,8 миллиона лет существования Солнечной системы - необычайно быстро по космическим меркам.
Анализ изотопного состава водорода и азота в образцах выявил более высокие содержания тяжелых изотопов, чем в земных материалах, что позволило ученым определить, что Рюгу сформировался из материала, возникшего во внешней части Солнечной системы, вероятно за пределами орбиты Юпитера. Это открытие поддерживает теорию о том, что астероидный пояс между Марсом и Юпитером в ранний период формирования солнечной системы заполняли астероиды из двух различных источников.
Примерно 70% образцов было выделено JAXA и японским исследовательским учреждениям для проведения программы первоначального анализа, проводимой различными командами специалистов. Эти команды занимались анализом химического состава крупнозернистого материала, мелкозернистого состава, летучих соединений, твердых органических компонентов и растворимых органических компонентов.
💡 Значение:
Образцы астероида Рюгу, доставленные миссией «Хаябуса-2», представляют собой уникальное окно в прошлое нашей Солнечной системы. В отличие от метеоритов, найденных на Земле, которые могли быть изменены под воздействием земной атмосферы, биологической активности или геологических процессов, образцы Рюгу сохранили свой первоначальный состав, отразив процессы, происходившие в протопланетном диске 4,6 миллиардов лет назад. Наличие аминокислот, основных органических молекул жизни, предполагает, что углеродистые астероиды типа Рюгу могли быть одним из источников предбиотических органических соединений, доставленных на молодую Землю во время интенсивной бомбардировки в первые 500 миллионов лет истории планеты.
Открытие того, что Рюгу содержит материал, возникший во внешней части Солнечной системы, подтверждает модели ранней миграции в Солнечной системе, согласно которым планеты и малые тела существенно перемещались после формирования. Эти открытия предоставляют важную информацию для понимания того, как вода, органические соединения и другие летучие элементы, необходимые для жизни, оказались на Земле.
💫 Продолжение миссии:
После успешного возврата образцов миссия «Хаябуса-2» не завершилась. У аппарата оставалось примерно 30 килограммов ксенона, что позволило спланировать расширенную миссию для изучения потенциально опасных для Земли астероидов.
В соответствии с планом миссия направится к астероиду 2001 CC21 (ныне переименованному в 98943 Torifune) для высокоскоростного пролета в июле 2026 года, затем проведет ряд гравитационных маневров у Земли и, наконец, встретится с быстро вращающимся микроастероидом 1998 KY26 в июле 2031 года. Период вращения этого астероида составляет всего 10 минут, что сделает это исследование первым в истории наблюдением столь быстро вращающегося малого тела.
Источники:
https://global.jaxa.jp/projects/sas/hayabusa2/
https://en.wikipedia.org/wiki/Hayabusa2
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01550-6
https://science.nasa.gov/mission/hayabusa-2/
https://astrobiology.nasa.gov/news/results-from-ryugu/
https://www.space.com/asteroid-ryugu-samples-analysis-hyabusa2
https://nss.org/hayabusa-2-exploring-solar-system-resources/
https://curation.isas.jaxa.jp/en/sample-curation/ryugu/
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn9033
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36904-3
#Наука #Космос #Хаябуса2 #АстероидРюгу #JAXA #ЭтотДеньВНауке #Наука5Декабря #Астероиды #КосмическаяМиссия #ОбразцыАстероида #АминокислотыКосмоса