Астероиды - космические лилипуты
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Астероиды и Кометы
Кометы
Исследователи
Страница: Встреча с кометой Галлея, Подробнее о комете Галлея (Part# 1, Part #2), ISEE-3/ICE, Охота за кометами, Хвост кометы, Deep Space 1 и StarDust;
Малые тела Солнечной системы

Как сесть на хвост кометы?

Исследование комет

    Как появилась жизнь на Земле? Этот вопрос до сих пор не имеет убедительного научного ответа. В 70-х годах прошлого века стала популярна гипотеза о том, что жизнь была занесена на Землю кометами. Все началось в 1910 году, когда Земля должна была пройти через хвост кометы Галлея, в которой спектроскопические наблюдения выявили присутствие ряда молекул - моноксида углерода, циана и водорода. Газеты немедленно подняли панику, объявив, что атмосфера будет отравлена ядовитыми угарным газом и синильной кислотой. Это было первое околонаучное упоминание о кометной органике, хотя до ее реального открытия оставалось еще более 20 лет.

    Только в 1931 году американский астроном Николас Бобровников идентифицировал в старых спектрах кометы Галлея линии простейшей органической молекулы - CH. Еще через 10 лет бельгийский астроном Поль Свингс нашел линии ион-радикалов CH+ и OH+, а также ионизированных молекул углекислого газа CO2+. Казалось, еще немного, и будут обнаружены более сложные молекулы. Появилась надежда, что кометы могут оказаться источником земного органического вещества, если не самой жизни. Она продержалась вплоть до следующего возвращения кометы Галлея в 1986 году. На этот раз ее с близкого расстояния изучали сразу несколько космических аппаратов - советские «Вега-1 и -2», японские «Суисеи» и «Сакигаке» и европейский «Джотто», который позднее, в 1992 году, сблизился с другой кометой - Григга-Шьеллерупа. Был обнаружен еще целый ряд молекул, в том числе формальдегид (CH2O), метан (CH4), аммиак (NH3), но ничего хотя бы отдаленно похожего на следы жизни или сложной органики. Аналогичные результаты были получены в 2001 году, когда американский аппарат Deep Space 1 изучил ядро кометы Борелли.


    Самым впечатляющим проектом по изучению комет стал полет американского зонда Deep Impact, который впервые достиг поверхности ядра кометы Темпеля-1. Он был запущен 12 января 2005 года и нес на борту медную болванку массой 372 килограмма, которую сбросил на ядро кометы с пролетной траектории 4 июля того же года - в День независимости США, что, конечно, не случайно. В результате удара на скорости 10 км/с образовалось облако газа и пыли, которое затем исследовалось дистанционными методами как с самого аппарата, так и с Земли. Уже через несколько минут оно распространилось более чем на 300 километров от ядра. Специалистов удивила полная непрозрачность облака, говорившая о том, что поверхность ядра кометы покрыта мельчайшими частицами наподобие талька, в то время как ученые ожидали разлета частиц размером с крупинки мелкозернистого песка. В момент удара на поверхности ядра кометы появился кратер, но из-за непрозрачности облака не удалось даже определить его размер (по оценкам, он должен составлять 50-250 метров), не то что заглянуть в него.
    Однако все эти кометы - старые, они не раз уже сближались с Солнцем, прожаривались в его лучах и потеряли значительное количество изначального запаса летучих веществ. По ним трудно судить о том, каким было первичное вещество, которое кометы приносили на Землю в эпоху молодости Солнечной системы. Поэтому ценным дополнением ко всем кометам, ранее исследованным космическими аппаратами, стала комета Вильда-2, которая за всю свою жизнь сближалась с Солнцем только 5 раз. До 1974 года орбита этой кометы вокруг Солнца была долгопериодической. Ее перигелий, то есть ближайшая к Солнцу точка орбиты, находился в районе Юпитера, в 5 астрономических единицах от Солнца (1 а. е. = 150 миллионам километров - расстояние от Земли до Солнца). В афелии комета уходила еще в пять раз дальше. Значительное удаление от Солнца обеспечивало сохранность материала ее ядра. Так было до 10 сентября 1974 года, когда комета прошла менее чем в миллионе километров от Юпитера. Мощное поле тяготения планеты-гиганта резко изменило орбиту кометы. Прежний перигелий стал афелием, а новый перигелий расположился всего в полутора астрономических единицах от Солнца. С приближением к Солнцу летучие вещества ядра стали испаряться, блеск кометы вырос, и при первом же прохождении перигелия в 1978 году она была открыта Паулем Вильдом из астрономического института Бернского университета. Таким образом, это дальняя и «свежая» комета, совсем недавно оказавшаяся во внутренней части Солнечной системы. К тому же по счастливой случайности ее нынешняя орбита имеет небольшое (3 градуса) наклонение к плоскости эклиптики, то есть к земной орбите. Это сделало ее удобной целью для изучения с помощью космических аппаратов. Ведь большинство комет имеют значительное наклонение, а изменение плоскости орбиты - один из самых затратных маневров в космонавтике. Грех было упускать такой шанс изучить хорошо сохранившуюся с древних времен комету с близкого расстояния, и NASA поставило перед собой амбициозную цель - доставить на Землю образцы кометного вещества.

Аэрогелевая ловушка аппарата «Стардаст» готовилась к запуску в условиях исключительной чистоты, чтобы земные материалы не повлияли на итоги эксперимента

    7 февраля 1999 года с мыса Канаверал к комете Вильда-2 стартовал космический аппарат «Stardust». Его основной целью был сбор кометной пыли с последующей доставкой образцов на Землю. На некоторых участках траектории собирались также образцы межпланетной и межзвездной пыли. План доставки образцов был беспрецедентным: еще никогда в истории космонавтики ни один аппарат не возвращался на Землю с такого расстояния. В назначенный день, 2 января 2004 года, преодолев с момента старта 3,2 миллиарда километров, космический аппарат «Стардаст» вошел в газопылевое облако - кому, окружающую ядро кометы Вильда-2. До максимального сближения оставалось еще 5 часов полета, когда на аппарат обрушился настоящий шквал кометных частиц. Они летели навстречу с весьма внушительной скоростью - 6 км/с и по крайней мере в десяти местах пробили верхний слой противометеоритной защиты, так называемых щитов Уиппла. Специалисты ожидали, что концентрация частиц будет равномерно возрастать с приближением к ядру, но данные монитора пыли свидетельствуют, что в течение получаса во время наибольшего сближения «Стардаст» в течение получаса четырежды проходил сквозь настоящие рои частиц, между которыми концентрация пыли была очень низкой. Заранее создатели станции могли теоретически оценить средний поток частиц, но никак нельзя было гарантировать, что не предусмотренный моделью тяжелый камень не врежется в станцию и не нарушит ее работу. Поэтому легко понять ликование операторов и ученых в центре управления, когда ведущий «кометолог» Дон Йоманс объявил: «Хорошие новости! Мы прошли наибольшее сближение без каких-либо повреждений».
    Пока 16 двигателей «Стардаста» компенсировали «порывы метеорного урагана», стараясь сохранить ориентацию аппарата в пространстве, в заполненном аэрогелем коллекторе осело более тысячи частиц. Затем ловушка была герметично закрыта и спрятана в возвращаемую капсулу. В следующий раз ее открыли только в «чистой комнате» Космического центра имени Джонсона. До Земли оставалось более миллиарда километров и почти 2 года полета.
    В момент максимального сближения «Стардаст» прошел в 236 километрах от ядра. Пролет с солнечной стороны гарантировал хорошие условия съемки. С помощью навигационной камеры было сделано 72 фотографии ядра в период от –30 до +5 минут от момента наибольшего сближения. Как и предполагали специалисты, ядро было округлым, около 5 километров в диаметре, но вот его рельеф оказался весьма разнообразным. На поверхности обнаружены громадной величины булыжники, 100-метровые скалы, глубокие «дыры» и напоминающие кратеры круговые структуры размером до километра. Такой сложный рельеф говорит о довольно прочной структуре поверхностного слоя (коры) ядра кометы. Вероятно, он состоит из мелкозернистой скальной породы, скрепленной замерзшими водой, моноокисью углерода и метанолом. Здесь вполне мог бы сесть спускаемый аппарат, а космонавт при прогулке по комете (что, впрочем, кажется почти невероятным - ведь обычный человек будет там «весить» примерно 3 грамма) мог бы не волноваться за прочность поверхности под своими ногами. Ведь даже если он попадет в кратер с торчащими из него ледяными «сосульками» гигантских размеров, то выбраться оттуда ему не составит особого труда. Достаточно слегка оттолкнуться ногами, чтобы улететь в космос, поскольку сила тяжести на поверхности кометы составляет всего 0,00003g, что меньше сотой доли процента от земной.
    На некоторых снимках, сделанных «Стардастом», заметны струи газа, исходящие из активных участков поверхности, вероятно, трещин в коре кометы. Это испаряется лед, и потоки газа устремляются в космос, образуя хвост кометы. Впервые в истории запечатлены не только сами потоки частиц пыли и газа, но и места их выхода. Надо заметить, что если наблюдать эти потоки, находясь на поверхности, они окажутся почти прозрачными и будут выдавать себя лишь потоками пыли, увлекаемыми струями газа. Пылинки будут мерцать в солнечном свете наподобие трассирующих пуль, выпущенных с поверхности в небо.
    15 января 2006 года капсула «Стардаста» с бесценными образцами совершила мягкую посадку на полигоне в штате Юта. Это была первая полностью успешная доставка внеземного вещества космическим аппаратом после того, как в 1969-1976 годах американские корабли «Аполлон» и советские станции «Луна» привезли на Землю лунный грунт. Однако, прежде чем приступить к изучению кометной пыли, ее еще предстояло найти в аэрогелевой ловушке. Два десятка относительно крупных частиц оставили следы, видимые невооруженным глазом, но большинство можно заметить только в микроскоп, да и то, если сфокусироваться на нужную глубину. Поиски пылинок грозили растянуться на долгие годы, и в NASA решили призвать на помощь добровольцев. Весь объем ловушек был послойно отсканирован с высоким разрешением, а потом волонтеры, скачивая кадры по Интернету, обследовали их в поисках самих частиц или их следов. Размеры пылинок варьировались от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. В среднем они оказались крупнее частиц кометы Галлея, но мельче, чем у кометы Григга-Шьеллерупа.
    Спустя полтора года после посадки капсулы общественности были представлены первые весьма неожиданные результаты исследования кометного вещества. Всестороннему анализу подверглись 23 частицы, извлеченные из аэрогеля, и семь микрометеоритных следов в алюминиевой фольге научного контейнера. Главный вывод: традиционное представление о кометах, как об огромных «грязных снежках», теперь требует уточнения, они имеют намного более сложный состав. По элементному составу вещество кометы Вильда-2 сходно с рыхлыми углистыми хондритами - метеоритами, которые, как считается, представляют состав Солнечной системы в целом. Однако настоящие неожиданности принес минералогический анализ. Конечно, большая часть вещества - явно холодный материал с окраин Солнечной системы, но около 10% сформировалось в условиях высоких температур. «Если честно, мы не ожидали найти вещество из внутренней части Солнечной системы, - сообщил Дональд Браунли, научный руководитель проекта Stardust из Университета Вашингтона. - И тем не менее оно было обнаружено уже во второй исследованной частице». В ней было выявлено редкое кальциево-алюминиевое включение, из тех, что лишь изредка попадаются в метеоритах. Позднее ученые нашли микрокристаллы оливина, состоящие из железа, марганца и других элементов. И то, и другое могло сформироваться в центральных областях протосолнечной туманности на начальной стадии ее остывания. Исходным материалом, вероятно, послужила межзвездная пыль, но ее частицы обычно имеют стекловидный характер и для образования кристаллов должны быть прогреты до значительной температуры. Еще более впечатляет наличие кристаллов осборнита, состоящего из сернистого кальция и сернистого титана. Для их образования требуется температура 1700° С, которая могла достигаться только в непосредственной близости от Солнца. Но откуда взялись эти 10% вещества с «горячей» предысторией, если до встречи с Юпитером в 1974 году комета вообще не заходила во внутреннюю область Солнечной системы и, казалось бы, не могла позаимствовать оттуда вещество? Просто детективная история! Как полагает Майкл Золенски из Космического центра имени Джонсона, нахождение оливина и сходных с ним по происхождению минералов может быть подтверждением гипотезы о сильных газовых выбросах, исходивших из внутренней околосолнечной области и выносивших сформированный там материал на окраины Солнечной системы.

Специальные «иглы», установленные на управляемых компьютером микроприводах, используются для высокоточного разрезания аэрогеля, содержащего образцы кометного вещества

    Итак, совершенно неожиданный вывод из полета «Стардаста» состоит в том, что кометы могут содержать вещество, сформировавшееся при самых разных температурах и на всем пространстве от внутренней части Солнечной системы до дальних границ пояса Койпера и облака Оорта, где, как считается, и образуются кометы. Исходный материал кометы образовался частично до, а частично после формирования Солнечной системы. Безусловно, такое смешивание затрудняет исследование эволюции комет, но оно может помочь понять историю образования планет Солнечной системы.

Контрабандный азот

    А теперь о самом интересном. Найденные в кометных частицах органические соединения стали для ученых немалым сюрпризом и заставили вновь обсуждать гипотезы, которые уже стали считаться слишком экстравагантными. Конечно, о доставке кометами живых организмов или даже сложных биологических молекул речь не идет, но все же полностью исключить их связь с возникновением жизни нельзя. Аэрогелевые ловушки «Стардаста» сыграли роль своеобразной губки: помимо частиц пыли они абсорбировали идущие из ядра кометы молекулы газов, в том числе и органические соединения. И подобно тому, как выжимают губку, все собранные вещества были «выжаты» из аэрогеля путем проваривания в воде ультравысокой степени чистоты. Полученный экстракт ученые исследовали на присутствие органики с помощью хроматографа/масс-спектрометра и обнаружили два вида азотсодержащих органических соединений - метиламин (CH3–NH2) и этиламин (C2H5–NH2). Эти соединения являются источниками связанного (фиксированного) азота, который имеет принципиальное значение для существования живых организмов. «Кометы могли доставить на Землю на ранней стадии ее развития богатые азотом органические вещества, где они стали бы доступны для зарождения жизни», - считает Скотт Сэндфорд из Исследовательского центра имени Эймса в Калифорнии.
    В земной атмосфере азот находится в свободной форме, образуя молекулы N2. Связь между атомами в молекуле азота очень прочная, и живые организмы неспособны напрямую использовать молекулярный азот - его сначала необходимо перевести в так называемое связанное состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, что препятствует их повторному объединению в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам использовать эти атомы. В атмосфере Земли содержится около 4.1015 тонн азота, но лишь незначительная его часть - около 100 миллиардов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов, а после их смерти и разложения возвращается в атмосферу. Без фиксации атмосферного азота существование жизни выглядит проблематичным, поэтому энзимы, которые связывают атмосферный азот, считаются достаточно древними, но все же они не могли появиться сразу. И, быть может, именно кометное вещество на первых этапах обеспечило жизнь связанным азотом. «Нам удалось установить, что кометы по крайней мере одного вида содержат значительное количество связанного азота в форме метиламина или этиламина, - сообщил Джейсон Дворкин из Центра космических полетов имени Годдарда. - Это открытие показывает, что «меню» ингредиентов для зарождения жизни было намного более полным, чем считалось ранее».
    Но действительно ли найденные азотсодержащие вещества входили в состав кометного ядра? Ведь наша планета «кишит» микроорганизмами, так что загрязнение космического аппарата вполне реально. Чтобы исключить возможность ошибки, ученым пришлось провести настоящее расследование и шаг за шагом исключить все возможные пути попадания в ловушки аппарата «контрабандного» азота с Земли. Были проверены десятки не полетевших на «Стардасте» дубликатов ловушек с аэрогелем. В них тоже нашли немного метиламина и еле заметные следы этиламина, но содержание этих соединений в доставленных из космоса кусках аэрогеля оказалось в 100 раз выше. Кроме того, очень сильно различалось относительное количество CH3–NH2 и C2H5–NH2 в «летавшем» и «нелетавшем» аэрогеле. Таким образом, на «заражение» образцов на Земле списать полученные результаты нельзя.
    Было и еще одно сомнение. «Стардаст» находился в полете семь лет, и в принципе органика могла попасть в его ловушки за эти долгие годы, а не при короткой встрече с кометой. В полете конструкция и приборы космического аппарата испускают летучие вещества, которые попали в них еще на Земле. Такое явление называется дегазацией, и оно также могло нарушить чистоту эксперимента. Специалисты исследовали образец аэрогеля, спрятанный за микрометеоритным экраном «Стардаста». Он был защищен от газопылевых потоков кометы и в то же время, как и вся конструкция аппарата, подвергался загрязнению вследствие дегазации. Однако в этом контрольном образце вообще не нашли следов метиламина и этиламина. Все это может означать лишь одно: органические соединения попали в ловушки «Стардаста» именно из комы кометы Вильда-2.
    Собранная примитивная органика представляет большой интерес для астробиологов, так как играет важную роль в биохимических процессах на Земле. Она могла образоваться как в протопланетном газопылевом облаке, из которого сформировалась наша Солнечная система, так и в ходе химических процессов в туманностях - в межзвездном пространстве. Кстати, в кометных образцах были также найдены полициклические ароматические углеводороды, молекулы которых совсем недавно обнаружены и в межзвездной среде.

На первых двух витках вокруг Солнца до встречи с кометой аппарат дважды открывал ловушку для сбора образцов межзвездной пыли, а между витками сближался с Землей для набора скорости в гравитационном маневре. Чтобы снизить скорость столкновения с межзвездными пылинками, их сбор шел в периоды, когда аппарат летел в сторону, противоположную движению Солнца относительно соседних звезд. Встреча с кометой произошла через пять лет полета на третьем витке вокруг Солнца. При этом комета нагоняла аппарат со скоростью 6,1 км/с

    Межзвездная среда состоит преимущественно из атомов водорода (примерно 70% общей массы) и гелия (около 28%). Оставшиеся 2% приходятся на другие элементы, которые, несмотря на малое количество, играют важную роль в протекающих здесь физических и химических процессах. В двадцатом веке методами радиоастрономии в межзвездной среде было обнаружено около сотни различных молекул - от простейшего молекулярного водорода H2 до 13-атомного цианополиина (HC11N), который представляет собой длинную цепочку атомов углерода, замкнутую с концов водородом и азотом. Что касается органических соединений, то первым, еще в 1969 году, в межзвездном пространстве нашли формальдегид, а самое свежее открытие, опубликованное в начале 2004 года, - молекулы антрацена (C14H10) и пирена (C16H10), содержащие соответственно 24 и 26 атомов. Эти вещества относятся к группе полициклических ароматических углеводородов, тех самых, что составляют большую часть жирного черного дыма, выбрасываемого плохо отрегулированным дизельным двигателем. Группа Адольфа Уитта из Университета Толидо (штат Огайо, США) обнаружила эти молекулы, изучая ультрафиолетовые спектры планетарной туманности Красный Прямоугольник, находящейся в двух с лишним тысячах световых лет от Земли в созвездии Единорога. Туманность образована умирающей звездой, сравнимой по массе с Солнцем. Наибольшее удивление астрономов вызвал даже не размер открытых молекул, а сам факт их существования в условиях интенсивного ультрафиолетового излучения звезды, которое должно разрушать органические молекулы. Только весной этого года химикам из Эймсовского исследовательского центра NASA удалось смоделировать на компьютере особую, невоспроизводимую в земных лабораториях структуру органических молекулярных кластеров, которая, по-видимому, обеспечивает устойчивость соединений к такому излучению. Адольф Уитт убежден, что антрацен и пирен - не самые крупные органические молекулы, синтезируемые в условиях межзвездной среды. По его мнению, возможно образование молекул или частиц, содержащих миллионы атомов углерода. Позднее такие молекулярные комплексы могут, слипаясь друг с другом, послужить зародышами планетезималей в будущих протопланетных дисках. Но пока это, конечно, лишь гипотеза.
    Так или иначе, кометные образцы с органикой, доставленные космическим аппаратом «Стардаст», - это, безусловно, важный этап в исследовании Солнечной системы, приближающий нас к решению вечной загадки происхождения жизни на Земле. Работа с образцами продлится еще не одно десятилетие. И нынешние первые предварительные результаты - лишь малая доля того, что ученым и нам с вами еще предстоит узнать.

    ХРОНОЛОГИЯ ПОЛЕТА
    7 февраля 1999 (1)
        Запуск ракетой Delta II
    22 февраля - 1 мая 2000 (2)
        Первый период сбора межзвездной пыли
    15 января 2001 (3)
        Сближение с Землей для гравитационного маневра
    5 мая 2002 - 9 декабря 2002 (4)
        Второй период сбора межзвездной пыли
    2 ноября 2002
        Сближение (3300 км) с астероидом Аннефранк (поперечник 6 км) и его съемка
    24 сентября 2003
        Начало операций по изучению кометы Вильда-2
    2 января 2004 (5)
        Пролет ядра кометы Вильда-2 на расстоянии 236 км
        Расстояние от Солнца - 1,86 а. е. (279 млн км)
        Расстояние от Земли - 2,60 а. е. (390 млн км)
    21 февраля 2004
        Завершение операций по изучению кометы
    17 октября 2005
        Начало операций по возврату капсулы с образцами
    15 января 2006 (6)
        Возвращение капсулы с образцами на Землю

    Полет аппарата «Стардаст» к комете Вильда-2 занял 7 лет и увенчался полным успехом. В размещенной на его борту ловушке из аэрогеля застряли более тысячи метеорных частиц кометного и межзвездного происхождения, а также молекулы летучих веществ кометы, в том числе ряда органических соединений. Это первый в истории космонавтики случай доставки твердых образцов из-за пределов системы Земля-Луна.

курсы по рисованию для начинающих в Москве
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru