Мы уже рассказывали, как были открыты астероиды, и с какими трудностями была сопряжена их классификация. Теперь поговорим о том, как происходит изучение этих весьма необычных небесных тел.
Первое путешествие через «пояс смерти»
В начале 1970-х годов NASA приступило к подготовке первых миссий, которые должны были отправиться во внешнюю часть Солнечной системы. Вскоре перед проектировщиками встал важный вопрос: насколько проходим Главный пояс астероидов и не является ли он в реальности эдаким «поясом смерти» для космической техники?
Да, уже тогда было известно, что расстояния между крупными астероидами в Главном поясе довольно велики, и вероятность случайно врезаться в какую-либо скалу крайне мала. Однако инженеров пугала другая перспектива — то, что Главный пояс может быть заполнен большим количеством различных частиц. На скоростях, с которыми движутся космические аппараты, столкновение даже с обычной песчинкой может стать фатальным.
Существовал лишь один способ найти ответ на этот вопрос — отправить аппарат через Главный пояс и проверить, сумеет ли он выжить. Эта задача была возложена на пару зондов Pioneer 10 и Pioneer 11, запущенных в 1972 и 1973 годах. Чтобы определить характеристики гипотетической пыли, на их борту были установлены специальные детекторы. Они предназначались для регистрации частиц и определения их физических характеристик.
Интересно, что проектировщики Pioneer 10 и Pioneer 11 весьма осторожно оценивали вероятность успешного исхода, давая лишь 90% на безопасное преодоление Главного пояса. Но в реальности все опасения оказались весьма преувеличены. Хотя приборы зондов действительно отметили некоторое увеличение количества частиц пыли, их концентрация не представляет никакой угрозы для земных посланцев. Спустя несколько лет аппараты Voyager подтвердили этот вывод.
После этого стало окончательно понятно, что Главный пояс вполне безопасен для навигации. Если ранее инженеры специально прокладывали маршруты космических аппаратов как можно дальше от астероидов, то теперь все изменилось. Отныне, когда находился «попутный» астероид вблизи потенциального пути аппарата, его траекторию старались выстроить таким образом, чтобы обеспечить близкий пролет.
Первые визиты к астероидам
Первым в истории космическим аппаратом, подобным образом посетившим «попутный» астероид, стал зонд Galileo. В 1991 году он совершил пролет 12-километрового астероида Гаспра, а два года спустя навестил 15-километровую Иду. Второй визит преподнес сюрприз. Оказалось, что у Иды имеется 1,5-километровый спутник, получивший название Дактиль.
Вскоре примеру Galileo последовали и другие миссии. Так, в 1999 году зонд Deep Space 1 выполнил пролет астероида Брайль, в 2002-м аппарат Stardust навестил астероид Аннафранк, а направлявшаяся к комете Чурюмова-Герасименко Rosetta в 2008 и 2010 годах посетила Штейнс и Лютецию.
Следует понимать, что во всех описанных случаях астероиды являлись не основной целью миссии, а своеобразным «бесплатным тренажером». Инженеры главным образом использовали их для проверки корректности работы научных инструментов зондов и тренировались в отработке будущих операций. К тому же все встречи с астероидами проходили по пролетным траекториям и были весьма скоротечными.
Первой в истории миссией, специально предназначенной для изучения астероидов, стала NEAR, позже переименованная в NEAR Shoemaker — в честь знаменитого американского планетолога Юджина Шумейкера. Ее целью стал первый открытый околоземный астероид Эрос.
NEAR Shoemaker запустили в 1996 году. Направляясь к своей цели, он посетил попутный астероид Матильда. После серии маневров аппарат вышел на постоянную орбиту вокруг Эроса в 2000 году. Во всех подробностях он изучил тело, картографировал и определил химический состав его поверхности. Вишенкой на торте стала мягкая посадка на поверхность Эроса, предпринятая после того как у зонда исчерпались запасы топлива. Несмотря на то, что подобная операция не была предусмотрена ни планом полета, ни конструкцией самого аппарата, к удивлению самих инженеров, она завершилась успехом. NEAR Shoemaker не только удалось опуститься на поверхность Эроса, не получив повреждений, но и еще некоторое время продолжать передавать информацию.
Став важной вехой на пути изучения астероидов, NEAR Shoemaker сыграл и ключевую роль в истории миссии New Horizons, запущенной в 2006 году к Плутону. Дело в том, что этот проект реализовывала не Лаборатория реактивного движения (именно она построила и сопровождала миссии Pioneer и Voyager), а Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса (APL). Успешный опыт реализации проекта NEAR Shoemaker стал основной причиной, почему NASA решилось доверить APL создание аппарата New Horizons. То есть, вполне возможно, что без Эроса мы бы до сих пор не знали, как именно выглядит Плутон.
Путешествие по Главному поясу
Следующей знаковой астероидной миссией стал Dawn. Его целью являлись два крупнейших объекта Главного пояса — Церера и Веста. И их следовало изучать не с пролетной траектории. План полета предполагал выход на постоянную орбиту вокруг Весты и ее исследование в течение примерно года. Затем Dawn должен был покинуть окрестности астероида и направиться к Церере, после чего выйти уже на орбиту вокруг нее.
Ранее еще ни один космический аппарат в истории не исследовал с орбиты сразу два небесных тела. Чтобы справиться с этой задачей, инженеры оснастили Dawn тремя ксеноновыми ионными двигателями. В отличие от традиционных химических агрегатов, такие двигатели имеют мизерную тягу, но зато могут похвастаться внушительным временем непрерывного функционирования (оно измеряется годами) при относительно малых затратах топлива. Комбинация этих двух факторов идеально подходит для перелетов между обладающими довольно слабой гравитацией объектами Главного пояса.
Dawn был запущен в 2007 году и достиг Весты спустя четыре года полета. 520-километровый астероид оказался весьма примечательным телом. По мнению астрономов, он представляет собой протопланету — крупный планетный зародыш, прошедший стадию внутреннего плавления, что привело к дифференциации его недр (то есть у него образовались железо-никелевое ядро и мантия). Считается, что на заре Солнечной системы в ней существовали сотни подобных тел, которые постоянно сталкивались между собой, пока, в конце концов, несколько «счастливчиков» не стали полноценными планетами. Таким образом, Веста является уникальным реликтом, чудом дошедшим до наших дней в почти неизменном состоянии в качестве своеобразного напоминания о тех бурных временах.
Еще одна заметная достопримечательность астероида — гигантский кратер Реясильвия. Его диаметр равен 500 км, что сопоставимо с диаметром самой Весты. Высота центрального пика Реясильвии — порядка 22 км, так что он может составить конкуренцию знаменитой горе Олимп на Марсе. По оценкам ученых, приведший к образованию Реясильвии удар выбил в космос порядка 1% от всего вещества Весты. Эти обломки породили собственное семейство астероидов.
По завершении исследований Dawn покинул Весту и направился к Церере. Аппарат вышел на постоянную орбиту вокруг карликовой планеты в 2015 году и работал до исчерпания запасов топлива в 2018-м.
Церера преподнесла еще больше сюрпризов, нежели Веста. Одной из знаменитейших находок Dawn стали яркие пятна на ее поверхности. Результаты измерений показали, что они состоят из карбоната натрия (соды) и хлорида аммония. Согласно наиболее популярной версии, пятна образовались после того, как на поверхность Цереры выплеснулась смесь из водяного льда и различных солей. Впоследствии лед испарился, оставив лишь яркие отложения солей.
Другой неожиданной находкой стала гора Ахуна. Это пятикилометровая формация, которая, скорее всего, представляет собой криовулкан. Наличие криовулкана и соляных отложений указывает на то, что на Церере все еще продолжается геологическая активность. Более того, модели внутреннего строения карликовой планеты допускают, что в ее недрах до сих пор может существовать океан или, по крайней мере, прослойка из жидкой воды.
Dawn удалось пролить свет и на происхождение Цереры. Данные о составе ее поверхности говорят о том, что изначально она сформировалась не в Главном поясе, а намного дальше, где-то за орбитой Сатурна, и уже позже переместилась на нынешнюю орбиту.
Доставка на Землю проб астероидного грунта
Еще за несколько лет до запуска Dawn Японское аэрокосмическое агентство (JAXA) приступило к реализации собственной астероидной миссии под названием «Хаябуса«. Ее целью была доставка на Землю образца грунта астероида Итокава.
«Хаябуса» стала практически хрестоматийным воплощением закона Мерфи. Абсолютно все, что могло пойти не так в этой миссии, пошло не так. В ней были и многочисленные технические сбои, и отказ двигателей, и потеря автономного робота. Тем не менее, хотя и на три года позже запланированного, «Хаябусе» удалось доставить на Землю капсулу, в которой оказалось несколько астероидных частиц. Конечно, это было намного меньше запланированного, но учитывая все драматические перипетии полета, даже подобный результат походил на настоящее чудо.
JAXA проделала основательную работу над ошибками и в 2014 году запустила следующую миссию — «Хаябуса-2«, целью которой стал астероид Рюгу. В этот раз все прошло намного лучше — «Хаябуса-2» успешно реализовала весьма насыщенную программу исследований. Помимо сбора грунта, в нее также вошла высадка нескольких автономных роботов на астероид и его обстрел медной болванкой с целью создания кратера для исследования глубинных пород.
Капсула с собранными образцами совершила успешную посадку на Землю в 2020 году. Что касается самого аппарата, то его миссия была продлена, и в будущем он изучит еще несколько астероидов.
Уже в следующем году земляне получат в свое распоряжение еще один образец астероидного вещества. Он будет доставлен аппаратом OSIRIS-REx, в период с 2018 по 2021 год изучавшим астероид Бенну.
Несмотря на свои весьма скромные размеры (его диаметр составляет всего 500 м), Бенну оказался весьма любопытным телом. Он усыпан неожиданно большим количеством крупных каменных обломков и время от времени выбрасывает глыбы в космос. Кроме того, выяснилось, что Бенну является крайне рыхлым объектом. По сути, это скопление камней, удерживаемых вместе силами гравитации. Если бы во время взятия пробы вещества OSIRIS-REx не задействовал свои двигатели, чтобы отойти от астероида на безопасное расстояние, он рисковал полностью в него провалиться — словно в бассейн, наполненный пластиковыми шариками.
После сброса капсулы с образцами вещества Бенну OSIRIS-REx направится к новой цели — Апофису, который некогда считался самым опасным астероидом в Солнечной системе. Их встреча состоится в 2029 году.
Окинув взором миссии по изучению астероидов, несложно заметить их эволюцию. Все началось с быстрых пролетов, затем пришел черед выхода на орбиту и взятия проб. И вот миссия DART сделала следующий шаг — изменила орбиту астероида. Это было необходимо для того, чтобы на практике проверить часто рассматриваемую возможность защиты от угрожающего Земле небесного тела путем кинетического воздействия.
Целью DART стал 160-метровый астероид Диморф, являющийся спутником более крупного объекта Дидим. Столкновение DART с астероидом состоялось 26 сентября 2022 года. DART врезался в Диморф на скорости 6,6 км/с. Результат, по заявлениям ученых, превысил их ожидания в несколько раз — изменение периода обращения Диморфа сократилось на 32 минуты, хотя успехом считалось бы сокращение всего на 73 секунды.
За столкновением и его последствиями наблюдали не только радары и сеть наземных обсерваторий, но и кубсат LICIACube с установленной на нем камерой от Dragonfly Aerospace. Он отделился от DART за несколько дней до столкновения и заснял момент попадания.
Будущие миссии по исследованию астероидов
Спустя несколько лет эксперимент DART получит продолжение. В 2024 году ESA запустит аппарат Hera. В конце 2026 года он достигнет Диморфа, после чего сфотографирует образовавшийся кратер и проведет его комплексное изучение. Эти данные дополнят результаты, полученные в ходе наземных наблюдений, и помогут астрономам лучше понять свойства и эволюцию двойных астероидов.
Но не только NASA интересуется возможностью отклонения астероидов. Недавно и Китай объявил о намерении запустить в 2026 году миссию, чтобы ударить по астероиду. Ее целью станет 2020 PN1 — потенциально опасный околоземный объект семейства Аполлона, диаметр которого составляет почти 40 м. Основное отличие китайского проекта от DART заключается в том, что к астероиду одновременно отправятся сразу два аппарата — импактор, а также спускаемый модуль. Последний должен будет осуществить мягкую посадку на 2020 PN1, исследовать его и оценить последствия удара.
Отработка технологий по борьбе с опасными объектами — далеко не единственное направление в исследованиях астероидов. Так, в прошлом году NASA отправило в космос аппарат Lucy. Его целью станут троянские астероиды Юпитера. Аппарат призван проверить теорию о том, что подобно Церере, они изначально сформировались на куда большем расстоянии от Солнца, и уже потом перешли на нынешнюю позицию. Правда, не обошлось без некоторых технических накладок в виде нераскрывшейся до конца одной из солнечных батарей зонда. Но судя по последним новостям, инженерам NASA удалось стабилизировать панель, и она не должна помешать работе миссии.
Еще одним весьма интригующим астероидом является Психея. Этот 250-километровый объект считается самым большим металлическим телом в Солнечной системе. Предположительно, Психея представляет собой осколок ядра уничтоженной протопланеты. Задача проверить, так это или нет, возложена на миссию Psyche. Она должна была отправиться в космос в августе этого года, но, к сожалению, NASA пришлось отменить запуск из-за неготовности наземного симулятора аппарата. Пока что агентство не назвало новую дату запуска Psyche — по всей видимости, он состоится не раньше 2023 года.
Не стоит забывать и о перспективах пилотируемой экспедиции к астероиду. Действительно, пару лет назад NASA похоронило проект подобной миссии. Но, во-первых, агентство довольно часто меняет свои планы, а во-вторых, всегда есть Китай. Да и с технической точки зрения полет к астероиду является куда более простой задачей, нежели высадка на Луну.Помимо своей символической значимости, пилотируемая миссия может заложить и фундамент для развития последующих проектов по коммерческой эксплуатации астероидов. Конечно, как мы уже ранее отмечали, нам вряд ли стоит ожидать появления неких космических шахтеров, добывающих руду, которая затем будет транспортироваться на Землю. Но астероиды могут стать важным источником ресурсов для миссий, направляющихся в дальний космос. И для того чтобы их использовать, человечеству явно предстоит еще много узнать об этих реликтах, оставшихся со времен формирования Солнечной системы.
