2 января 2004 года в 11:22 PST (19:22 UTC) американский КА Stardust прошел на минимальном расстоянии 236 км от ядра кометы Вильда-2 (Wild-2) при относительной скорости 6.1 км/с, выполнил забор кометного вещества и произвел съемку ядра.
    Этого события ученые всего мира ждали без малого 5 лет. Напомним, что Stardust (в переводе означает «Звездная пыль») был запущен 7 февраля 1999 г. и должен вернуться на Землю 15 января 2006 г. Главная задача станции – доставка образцов вещества из газовой оболочки кометы и межзвездной пыли, пойманных специальной аэрогелевой ловушкой. Анализ полученных образцов в земных условиях поможет ученым многое узнать о возникновении и эволюции Солнечной системы, а исследование межзвездных частиц – Вселенной в целом.

Это 34-й из 72-х снимков сделанных навигационной камерой во время пролета кометы Вильда-2. Время экспозиции 10 миллисекунд

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    Встреча состоялась в 1.86 а.е. от Солнца и 2.60 а.е. от Земли. Съемка ядра кометы бортовой навигационной камерой была второстепенным экспериментом. Тем не менее изображения, которые аппарат стал передавать начиная с 11:25 PST (19:25 UTC), всего через несколько минут после пролета, можно смело назвать уникальными. Они запечатлели ядро кометы и поразительные детали его поверхности. Передача данных на Землю через остронаправленную антенну HGA на скорости 15800 бит/с длилась более 30 часов. Всего было передано более 700 Мбит информации: 600 Мбит – снимки, 100 Мбит – от анализатора пыли CIDA и 16 Мбит – с монитора пыли DFMI. Теперь потребуются годы, чтобы ученые смогли обработать и осмыслить всю полученную информацию.

На этом изображении объеденены снимки с короткой и длинной экспозицией. В таком представлении хорошо видны джеты испускаемых газов с поверхности кометы.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    …После сближения с астероидом Аннефранк Stardust вернулся к своему обычному режиму функционирования. Запланированная коррекция траектории станции после встречи с астероидом не понадобилась. Аппарат двигался по намеченному пути и продолжал сбор образцов межзвездной пыли, начатый 5 августа 2002 г. Ловушки аппарата были закрыты 9 декабря 2002 г., как и было запланировано.
    В середине января 2003 г. во время очередного сеанса связи со станцией был включен анализатор кометной и межзвездной пыли CIDA, а в начале февраля прошла его калибровка.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

Еще 30 декабря, когда до встречи с кометой оставалось двое суток, расчеты показывали, что наибольшее сближение произойдет в 11:40:35 PST (19:40:35 UTC). Это было т.н. «время приема сигнала», с учетом задержки его прохождения от КА до Земли. Так как 2 января аппарат находился в 390 млн км от Земли, эта задержка составила 21 мин 40 сек. Легко видеть, что в «реальном» бортовом времени КА встреча ожидалась в 19:18:55 UTC. После пролета было объявлено, что встреча состоялась в 19:22 UTC по бортовому времени, или 19:44 UTC по времени прихода сигнала. Не очень понятно, как при такой относительной скорости могла возникнуть трехминутная задержка.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    В конце января с помощью навигационной камеры с фокусным расстоянием 200 мм аппарат снимал звездное скопление Плеяды. Целью была проверка функционирования перископа камеры при разных углах поворота зеркала. 32 полученных снимка хранились в памяти бортового компьютера и были переданы на Землю в двух сеансах связи в марте (в одном – пять, в другом – 27 снимков). Все фотографии оказались хорошего качества. В самом конце марта 2003 г. были также сделаны четыре снимка звездной камерой для определения ее работоспособности.
    С 3 по 18 апреля 2003 г. Stardust находился за Солнцем, и в течение этого времени связь с аппаратом была невозможна.
    Операторы использовали паузу для подготовки на макете первого «базового» теста программы пролета КА у кометы, который с успехом прошел в середине мая. Однако было бы наивно полагать, что во время «нырка» в кому аппарат будет полностью придерживаться «базового» сценария. Главной задачей испытаний была отработка специальной программы для системы ориентации, позволяющей включениями основных и вспомогательных двигателей удерживать заданное положение КА и наводить его на ядро кометы, невзирая на удары по противометеоритной защите станции частиц размером до 1 см. Эта программа получила у разработчиков шутливое название «бум-бум». В конце мая 2003 г. в испытательной лаборатории прошел первый тест «бум-бума».
    А полет продолжался. В конце апреля станции была задана новая уставка 100-процентного заряда аккумуляторной батареи – из-за того, что Stardust приближался к Солнцу и его СБ начали вырабатывать больше энергии. (Этой уставкой является давление в аккумуляторе, и оно было повышено с 52 до 56 атм; новое значение соответствовало напряжению на аккумуляторе 32.5 В.)
    В начале мая состоялся тест по передаче «сжатых» данных с анализатора CIDA. Тест показал, что ошибка в бортовом ПО исправлена и сжатые данные проходят безошибочно.
    17 и 18 июня 2003 г. была выполнена двухимпульсная коррекция траектории станции, которая направила ее в точку встречи с кометой. Это был третий «большой» маневр за время полета Stardust'а.
    Каждый из двух импульсов длился почти 25 минут, и вместе они изменили скорость КА на 66 м/с. Опубликованы точные данные на второй импульс: он начался 18 июня в 21:00 UTC; восемь фунтовых (0.45 кгс) двигателей работали 1456 секунд, сожгли 6.08 кг гидразина и изменили скорость аппарата на 34.4 м/с – ровно на одну тысячную его гелиоцентрической скорости, которая составляла 34.5 км/с. Чтобы не загрязнить солнечные батареи станции, на время обоих включений их разворачивали боком, и КА питался от аккумуляторов.
    16 июля 2003 г. была успешно проведена «малая» коррекция траектории TCM-9 (длительность импульса 43 сек, приращение скорости 1 м/с). Анализатор CIDA был выключен перед июньской коррекцией и включен вновь после июльской.
    23 июля станция закончила свой второй виток вокруг Солнца и начала третий, последний. На Земле уже несколько месяцев готовились к посадке возвращаемой капсулы. Нужно было гарантировать подход аппарата точно по заданной траектории, несмотря на солнечное давление и прочие малые силы. (Напомним, что неверный учет этих сил стал причиной гибели марсианской станции MCO в конце 1999 г. – она «зарылась» в атмосферу Марса и сгорела.) Соответствующий эксперимент на борту был проведен в конце июня – начале июля «в естественных условиях», на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Он состоял из трех небольших коррекций, разворота в положение для отстрела капсулы и 40 «уходов» КА по тангажу и рысканью на углы до 15°. Итог воздействия малых сил не превосходил 1 см/с.
    В августе, сентябре и до 7 октября 2003 г. станция вновь находилась в соединении с Солнцем, в течение двух месяцев угол Солнце–Земля–КА не превышал 3°. В это время в лаборатории состоялись «официальные» испытания пролетной программы. В ПО была внесена важная поправка, гарантирующая получение по крайней мере одного снимка ядра с высоким разрешением в начале передачи информации на Землю.
    8 октября провели калибровочную съемку навигационной камерой, и вновь на ее объективе появилось загрязнение, которого в конце июня еще не было. Чтобы удалить загрязнение, пришлось включить нагреватели.
    13 ноября навигационной камерой были сделаны первые снимки той области неба, где находилась комета Вильда-2, а также два контрольных снимка неба с большой экспозицией, на которых удалось найти звезды до 11m. Операторы не ожидали увидеть комету до конца ноября, но уже 14 ноября нашли светлое пятнышко комы – на самом первом снимке, сделанном с расстояния 25 млн км! На вторую серию снимков 18 ноября комета попала тоже. Это сильно облегчило планирование фазы подлета. Дело в том, что кометы вблизи Солнца (а наша «героиня» прошла перигелий 25 сентября) постоянно теряют массу и на их движение заметно влияют реактивные эффекты. Без регулярного определения положения цели среди звезд было бы невозможно приблизиться к ней менее чем на несколько тысяч километров. А наблюдения с Земли помочь не могли – вплоть до середины декабря комета «пряталась» за Солнцем.
    До 4 декабря навигационные снимки делали 2 раза в неделю, уточняя параметры орбиты цели. 3 декабря была выполнена коррекция траектории TCM-10 для обеспечения пролета аппарата на расстоянии 300±50 км от ядра кометы. Импульс длился 118 сек. 15 декабря 2003 г. Stardust находился на расстоянии 9.5 млн км от кометы Вильда-2, и эта дистанция сокращалась на 530000 км ежедневно.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

Снимок кометы Вильда-2, сделанный 13 ноября 2003 г. Справа изображена комета и три довольно тусклые звезды (со звездными величинами 8.5, 7.6, 6.4m). Слева – увеличенный фрагмент комы кометы

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    С 8 декабря фотографирование кометы и передача снимков на Землю осуществлялись ежесуточно, с 23 декабря – трижды в сутки, а за 72 часа до «встречи» снимки делали уже каждый час.
    24 декабря выставили в рабочее положение аэрогелевую ловушку. 31 декабря станцию развернули так, чтобы ее уиппловские щиты – три пятислойных панели противопылевой защиты – были обращены к набегающему потоку частиц. В системе ориентации включили отработанный алгоритм реагирования на удары.


    С момента своего старта Stardust преодолел расстояние в 3.7 млрд км и 2 января 2004 г., за 5 часов до максимального сближения и за 100000 км от ядра, вошел в область комы – газопылевого облака вокруг ядра кометы.
    На аппарат обрушился настоящий «шквал» из кометных частиц. Они летели навстречу с весьма внушительной скоростью (6.1 км/с) и по крайней мере в 10 местах пробили верхний слой уиппловских щитов. Однако пролет сквозь кому проходил по другому сценарию, нежели предполагали специалисты. Ученые считали, что распределение частиц будет равномерным, а их концентрация будет возрастать по мере приближения к ядру, а затем уменьшаться. Но данные монитора пыли DFMI за 30 минут вокруг момента пролета свидетельствовали о том, что Stardust четырежды прошел сквозь настоящий «рой» частиц, а в промежутках концентрация пыли была очень низкой.

Вид на комету под другим углом.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    Создатели станции могли просчитать поток частиц теоретически, в среднем, в соответствии с принятой моделью. Но никак нельзя было гарантировать, что не предусмотренный моделью тяжелый камень не врежется в станцию и не нанесет ей серьезную рану. И легко понять ликование операторов и ученых в зале управления, когда ведущий «кометолог» Дон Йоманс объявил: «Хорошие новости! Мы прошли наибольшее сближение без каких-либо повреждений».
    Пока 16 двигателей Stardust’а парировали «порывы урагана», стараясь сохранить необходимую ориентацию КА в пространстве, коллектор аппарата был раскрыт и некоторое количество частиц кометной пыли оказалось в ловушках. Считается, что в аэрогеле должны были застрять не менее 1000 частиц размером 15 мкм и более.

Прощальный снимок кометы Вильда-2

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    Шестью часами позже ловушка была спрятана в возвращаемую капсулу. В следующий раз она будет открыта уже на Земле, в «чистой комнате» в Космическом центре им. Джонсона.
    В январе аппарат был переведен из пролетного режима в перелетный и останется в нем вплоть до отделения возвращаемой капсулы. Проведена калибровка детектора пыли DFMI и навигационной камеры. Качество снимков с использованием перископа значительно хуже, чем без него. Это означает, что перископ выполнил свою задачу – сохранил камеру от повреждений.
    2 февраля состоялась 4-я большая коррекция – в том же режиме, который будет использоваться в январе 2006 г. при возвращении на Землю. Во время коррекции были проверены секции солнечных батарей, и все они оказались исправны.
    До Земли осталось 1.14 млрд км пути и почти 2 года.


    В Солнечной системе находятся миллиарды комет, но до сих пор космические аппараты доставили ценную информацию только о четырех из них (кометы Джакобини-Циннера, Галлея, Григга-Скьеллерупа, Боррелли), и только две (Галлея и Боррелли) были сфотографированы. Комета Вильда-2 представляет собой наиболее ценное дополнение к этому списку: она сближалась с Солнцем всего лишь 5 раз с 1974 г., когда после сближения с Юпитером ее орбита совершенно изменилась. Солнце очень мало грело эту комету, и ее вещество должно было остаться почти в первозданном виде.
    Как известно, «сердцем» любой кометы является ядро (dirty snowball, «грязный сугроб»), состоящее из смеси пыли и льда. Лед постепенно испаряется по мере приближения кометы к Солнцу, и вследствие этого она приобретает эффектный и весьма длинный «хвост». Ядра комет очень трудно увидеть: они скрыты глубоко под комой и в своем большинстве чернее даже угля.
    Кометы Галлея и Борелли, заснятые КА «Вега» и Giotto (1986 г.) и Deep Space 1 (2001 г.) соответственно, имели «кусковые» ядра, и особых деталей в рельефе их поверхностей выявлено не было. Эти кометы нагревались Солнцем в течение многих тысяч лет, вследствие чего внешний вид и элементные свойства ядер претерпели существенные изменения.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

Снимок ядра кометы Вильда-2, сделанный навигационной камерой аппарата во время сближения с расстояния 500 км. Разрешение – 20 м, экспозиция – 10 мс. В правой части рисунка стрелками показаны места возникновения потоков частиц пыли и газа, идущих из активных регионов кометы.

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    Однако с кометой Вильда-2 все было не так. Stardust прошел над ядром с солнечной стороны (фазовый угол 73°), что гарантировало хорошие условия съемки. С помощью навигационной камеры были сделаны 72 снимка ядра в период от -30 до +5 мин от наибольшего сближения. Как и предполагали специалисты, ядро было округлым, около 5 км в диаметре.
    Поверхность ядра оказалась в высшей степени сложной и многообразной. На ней обнаружены булыжники громадной величины, 100-метровые скалы и другие невиданные прежде формы рельефа. Видны глубокие «дыры» и круговые структуры, похожие на кратеры размером до 1 км. По словам ученых, такой сложный рельеф говорит о довольно прочной структуре поверхностного слоя (коры) ядра кометы. Вероятно, он состоит из смеси мелкозернистой скальной породы, замерзшей воды, моноокиси углерода и метанола.
    Здесь мог бы свободно сесть спускаемый аппарат, а космонавт при прогулке по комете (что, на первый взгляд, кажется невероятным), 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. Нужно лишь сделать небольшой толчок ногами – ведь сила тяжести на поверхности кометы составляет всего 0.0001g!

Серия снимков кометы Вильда-2.     1. Снимок ядра кометы Вильда-2, сделанный навигационной камерой аппарата во время сближения с расстояния 500 км. Разрешение – 20 м, экспозиция – 10 мс.     2. Хорошо видны места возникновения потоков частиц пыли и газа, идущих из активных регионов кометы

STARDUST И КОМЕТА ВИЛЬДА-2

    На некоторых полученных фотографиях выявлены струи газа, исходящие из активных регионов поверхности (вероятно, трещин в коре кометы). Это испаряется лед, устремляясь в космос и образуя «хвост» кометы. Впервые в истории запечатлены не только сами потоки частиц пыли и газа, но и непосредственные места их происхождения на поверхности кометы – два «гейзера» покрупнее и три поменьше.
    Надо заметить, что если наблюдать их, находясь на поверхности, то они окажутся почти прозрачными, но будут выдавать себя лишь потоком пыли, увлекаемым струей газа. Частицы пыли будут мерцать в солнечном свете наподобие трассирующих пуль, выпущенных с поверхности Земли в небо.
    «Такие превосходные снимки мы и не мечтали получить. Они помогут нам понять, в каких условиях находится кометное вещество», – прокомментировал событие Рей Ньюберн (Ray Newburn), один из руководителей проекта Stardust. А главный руководитель проекта д-р Дон Браунли (Don Brownlee) из Университета Вашингтона (Сиэттл) отметил: «Эти снимки кометы являются самыми лучшими из всех, которые были сделаны до настоящего момента. Видимые на фотографиях фантастические детали кометы превзошли все наши ожидания».