Ми вже розповідали, як були відкриті астероїди, і про труднощі щодо їхньої класифікації. Тепер поговоримо про те, як відбувається вивчення цих незвичайних небесних тіл.
Перша подорож через “пояс смерті”
На початку 1970-х років NASA розпочало підготовку перших місій, які мали вирушити до зовнішньої частини Сонячної системи. Незабаром перед проєктувальниками постало важливе запитання: наскільки прохідний Головний пояс астероїдів і чи не є він насправді таким собі “поясом смерті” для космічної техніки?
Так, уже тоді було відомо, що відстані між великими астероїдами в Головному поясі досить значні, і можливість випадково врізатися в якусь скелю вкрай мала. Проте інженерів лякала інша перспектива — те, що Головний пояс може бути наповнений великою кількістю різних частинок. На швидкостях, з якими рухаються космічні апарати, зіткнення навіть зі звичайною піщинкою може стати фатальним.
Існував лише один спосіб знайти відповідь на це запитання — відправити апарат через Головний пояс і перевірити, чи зуміє він вижити. Це завдання було покладене на пару зондів Pioneer 10 та Pioneer 11, запущених у 1972 та 1973 роках. Щоби визначити характеристики гіпотетичного пилу, на борту встановили спеціальні детектори. Вони призначалися для реєстрації частинок та визначення їхніх фізичних показників.
Цікаво, що проєктувальники Pioneer 10 і Pioneer 11 вельми обережно оцінювали можливість успішного результату, даючи лише 90% на безпечне подолання Головного поясу. Але насправді всі побоювання виявилися дуже перебільшеними. Хоча прилади зондів справді відзначили деяке збільшення кількості частинок пилу, їхня концентрація не становить жодної загрози для земних посланців. За кілька років апарати Voyager підтвердили цей висновок.
Після цього стало зрозуміло, що Головний пояс цілком безпечний для навігації. Якщо раніше інженери спеціально прокладали маршрути космічних апаратів якнайдалі від астероїдів, то тепер усе змінилося. Відтоді, коли знаходився “попутний” астероїд поблизу потенційного шляху апарата, його траєкторію намагалися побудувати таким чином, щоб забезпечити близький проліт.
Перші візити до астероїдів
Першим в історії космічним апаратом, що подібним чином відвідав “попутний” астероїд, став зонд Galileo. 1991 року він здійснив проліт 12-кілометрового астероїда Гаспра, а через два роки відвідав 15-кілометрову Іду. Другий візит подарував сюрприз. Виявилося, що Іда має 1,5-кілометровий супутник, що отримав назву Дактиль.
Незабаром за Galileo прослідували й інші місії. Так, 1999 року зонд Deep Space 1 виконав проліт астероїда Брайль, 2002 року апарат Stardust завітав до астероїда Аннафранк, а Rosetta по дорозі до комети Чурюмова-Герасименко в 2008 і 2010 роках відвідала Штейнс і Лютецію.
Слід розуміти, що у всіх описаних випадках астероїди були не основною метою місії, а своєрідним “безкоштовним тренажером”. Інженери переважно використовували їх для перевірки коректності роботи наукових інструментів зондів та тренувалися у відпрацюванні майбутніх операцій. До того ж усі зустрічі з астероїдами проходили прогоновими траєкторіями та були дуже швидкоплинними.
Першою в історії місією, спеціально призначеною для вивчення астероїдів, стала NEAR, яку пізніше перейменували в NEAR Shoemaker — на честь знаменитого американського планетолога Юджина Шумейкера. Її метою став перший відкритий навколоземний астероїд Ерос.
NEAR Shoemaker запустили 1996 року. На шляху до своєї мети він відвідав попутний астероїд Матильда. Після серії маневрів у 2000 році апарат вийшов на постійну орбіту навколо Ероса. У всіх подробицях він вивчив тіло, картографував та визначив хімічний склад його поверхні. Вишенькою на торті стала м’яка посадка на поверхню Ероса, після того як у зонда вичерпалися запаси палива. Попри те, що подібна операція не була передбачена ані планом польоту, ані конструкцією самого апарата, на подив самих інженерів, вона завершилася успіхом. NEAR Shoemaker не тільки вдалося опуститися на поверхню Ероса, не зазнавши пошкоджень, але й ще деякий час продовжувати передавати інформацію.
Ставши важливою віхою на шляху вивчення астероїдів, NEAR Shoemaker відіграв ключову роль в історії місії New Horizons, запущеної 2006 року до Плутона. Річ у тім, що цей проєкт реалізовувала не Лабораторія реактивного руху (саме вона побудувала та супроводжувала місії Pioneer та Voyager), а Лабораторія прикладної фізики Університету Джона Гопкінса (APL). Успішний досвід реалізації проєкту NEAR Shoemaker був основною причиною, чому NASA вирішило довірити APL створення апарата New Horizons. Отже, цілком можливо, що без Ероса ми й досі не знали б, який саме вигляд має Плутон.
Подорож Головним поясом
Наступною знаковою астероїдною місією став Dawn. Його метою були два найбільші об’єкти Головного поясу — Церера та Веста. І їх треба було вивчати не з прогонової траєкторії. План польоту передбачав вихід на постійну орбіту навколо Вести та її дослідження протягом приблизно року. Потім Dawn мав залишити околиці астероїда і попрямувати до Церери, після чого вийти на орбіту навколо неї.
Раніше ще жоден космічний апарат в історії не досліджував з орбіти одразу два небесних тіла. Щоби впоратися із цим завданням, інженери оснастили Dawn трьома ксеноновими іонними двигунами. На відміну від традиційних хімічних агрегатів, такі двигуни мають мізерну тягу, але можуть похвалитися значним часом безперервного функціонування (воно вимірюється роками) за відносно малих витрат палива. Комбінація цих двох факторів ідеально підходить для перельотів між об’єктами Головного поясу, що мають досить слабку гравітацію.
Dawn був запущений 2007 року і досяг Вести за чотири роки польоту. 520-кілометровий астероїд виявився дуже примітним тілом. На думку астрономів, він є протопланетою — великим планетним зародком, який пройшов стадію внутрішнього плавлення, що призвело до диференціації його надр (тобто у нього утворилися залізо-нікелеве ядро і мантія). Вважається, що на світанку Сонячної системи в ній існували сотні подібних тіл, які постійно стикалися між собою, поки, зрештою, кілька “щасливчиків” не стали повноцінними планетами. Тобто, Веста є унікальним реліктом, що дивом зберігся до наших днів у майже незмінному стані як своєрідне нагадування про ті бурхливі часи.
Ще одна помітна визначна пам’ятка астероїда — гігантський кратер Реясильвія. Його діаметр дорівнює 500 км, що можна порівняти з діаметром самої Вести. Висота центрального піку Реясільвії — близько 22 км, тож він може скласти конкуренцію знаменитій горі Олімп на Марсі. За оцінками вчених, удар, що призвів до утворення Реясільвії, вибив у космос близько 1% від усієї речовини Вести. Ці уламки породили власну родину астероїдів.
Після завершення досліджень Dawn залишив Весту і попрямував до Церери. Апарат вийшов на постійну орбіту навколо карликової планети 2015 року та працював до вичерпання запасів палива у 2018-му.
Церера презентувала ще більше сюрпризів, ніж Веста. Однією з найзнаменитіших знахідок Dawn стали яскраві плями на її поверхні. Результати вимірювань показали, що вони складаються з карбонату натрію (соди) та хлориду амонію. Згідно з найбільш популярною версією, плями утворилися після того, як на поверхню Церери виплеснулася суміш із водяного льоду та різних солей. Згодом лід випарувався, залишивши лише яскраві відкладення солей.
Іншою несподіваною знахідкою стала гора Ахуна. Це п’ятикілометрова формація, яка, найімовірніше, є кріовулканом. Наявність кріовулкана та соляних покладів вказує на те, що на Церері все ще продовжується геологічна активність. Ба більше, моделі внутрішньої будови карликової планети припускають, що в її надрах досі може існувати океан або принаймні прошарок з рідкої води.
Dawn вдалося пролити світло і на походження Церери. Дані про склад її поверхні свідчать, що спочатку вона сформувалася не у Головному поясі, а набагато далі, десь за орбітою Сатурна, і пізніше перемістилася на нинішню орбіту.
Доставка на Землю проб астероїдного ґрунту
Ще за кілька років до запуску Dawn Японське аерокосмічне агентство (JAXA) розпочало реалізацію власної астероїдної місії під назвою “Хаябуса“. Її метою була доставка на Землю зразка ґрунту астероїда Ітокава.
“Хаябуса” стала практично хрестоматійним втіленням закону Мерфі. Абсолютно все, що могло піти не так у цій місії, пішло не так. У ній були і численні технічні збої, і відмова двигунів, і втрата автономного робота. Проте, нехай і на три роки пізніше запланованого, “Хаябусі” вдалося доставити на Землю капсулу, в якій виявилося кілька астероїдних частинок. Звісно, це було набагато менше запланованого, але з огляду на всі драматичні перипетії польоту, навіть подібний результат здавався справжнім дивом.
JAXA виконала ґрунтовну роботу над помилками і 2014 року запустила наступну місію — “Хаябуса-2”, метою якої став астероїд Рюгу. Цього разу все пройшло набагато краще — “Хаябуса-2” успішно реалізувала вельми насичену програму досліджень. Окрім збору ґрунту, до неї також увійшла висадка кількох автономних роботів на астероїд та його обстріл мідною болванкою з метою створення кратера для дослідження глибинних порід.
Капсула із зібраними зразками здійснила успішну посадку на Землю у 2020 році. Щодо самого апарата, то його місія була продовжена, і в майбутньому він вивчить ще кілька астероїдів.
Уже наступного року земляни отримають у своє розпорядження ще один зразок астероїдної речовини. Його доставить апарат OSIRIS-REx, який у період з 2018 по 2021 рік вивчав астероїд Бенну.
Попри вельми скромні розміри (його діаметр складає всього 500 м), Бенну виявився дуже цікавим тілом. Він усіяний несподівано значною кількістю великих кам’яних уламків і іноді викидає брили в космос. Крім того, з’ясувалося, що Бенну є вкрай пухким об’єктом. По суті, це скупчення каміння, що тримається разом силами гравітації. Якби під час взяття проби речовини OSIRIS-REx не задіяв свої двигуни, аби відійти від астероїда на безпечну відстань, він ризикував повністю в нього провалитися — немов у басейн, наповнений пластиковими кульками.
Після скидання капсули зі зразками речовини Бенну OSIRIS-REx попрямує до нової мети — Апофіса, який колись вважався найнебезпечнішим астероїдом у Сонячній системі. Їхня зустріч відбудеться 2029 року.
Наразі неважко помітити еволюцію місій із вивчення астероїдів. Усе почалося зі швидких прольотів, потім дійшла черга до виходу на орбіту і взяття проб. І ось місія DART зробила наступний крок — змінила орбіту астероїда. Це було необхідно, аби на практиці перевірити можливість захисту від загрозливого для Землі небесного тіла шляхом кінетичного впливу.
Метою DART став 160-метровий астероїд Діморф, який є супутником більшого об’єкта Дідім. Зіткнення DART із астероїдом відбулося 26 вересня 2022 року. DART врізався у Діморф на швидкості 6,6 км/с. Результат, за заявами вчених, перевищив їхні очікування у кілька разів — зміна періоду обертання Діморфа скоротилася на 32 хвилини, хоча успіхом вважалося б скорочення лише на 73 секунди.
За зіткненням та його наслідками спостерігали не лише радари та мережа наземних обсерваторій, а й кубсат LICIACube зі встановленою на ньому камерою від Dragonfly Aerospace. Він відокремився від DART за кілька днів до зіткнення і зняв момент влучення.
Майбутні місії з дослідження астероїдів
За кілька років експеримент DART отримає продовження. 2024 року ESA запустить апарат Hera. Наприкінці 2026 року він досягне Діморфа, після чого сфотографує кратер, що утворився, а також проведе його комплексне вивчення. Ці дані доповнять результати, отримані під час наземних спостережень, і допоможуть астрономам краще зрозуміти властивості та еволюцію подвійних астероїдів.
Проте не лише NASA цікавиться можливістю відхилення астероїдів. Нещодавно і Китай оголосив про намір запустити 2026 року місію, щоб ударити по астероїду. Її метою стане 2020 PN1 — потенційно небезпечний навколоземний об’єкт сімейства Аполлона, діаметр якого становить близько 40 м. Основна відмінність китайського проєкту від DART полягає в тому, що до астероїда одночасно вирушать відразу два апарати — імпактор, а також модуль, що спускається. Останній повинен буде здійснити м’яку посадку на 2020 PN1, дослідити його та оцінити наслідки удару.
Відпрацювання технологій боротьби з небезпечними об’єктами — далеко не єдиний напрямок у дослідженнях астероїдів. Так, минулого року NASA відправило до космосу апарат Lucy. Його метою стануть троянські астероїди Юпітера. Апарат має перевірити теорію про те, що подібно до Церери, вони спочатку сформувалися на значно більшій відстані від Сонця, і вже потім перейшли на нинішню позицію. Щоправда, не обійшлося без деяких технічних накладок у вигляді однієї з сонячних батарей зонда, що до кінця не розкрилася. Але, судячи з останніх новин, інженерам NASA вдалося стабілізувати панель, і вона не повинна зашкодити роботі місії.
Ще одним досить цікавим астероїдом є Психея. Цей 250-кілометровий об’єкт вважається найбільшим металевим тілом у Сонячній системі. Ймовірно, Психея є уламком ядра знищеної протопланети. Завдання перевірити, так це чи ні, покладено на місію Psyche. Вона мала вирушити у космос у серпні цього року, та, на жаль, NASA довелося скасувати запуск через неготовність наземного симулятора апарата. Поки що агентство не назвало нову дату запуску Psyche — мабуть, це відбудеться не раніше 2023 року.
Не варто забувати і про перспективи пілотованої експедиції до астероїда. Так, кілька років тому NASA поховало проєкт подібної місії. Але, по-перше, агентство часто змінює свої плани, а по-друге, завжди є Китай. Та й з технічної точки зору політ до астероїда є набагато простішим завданням, ніж висадка на Місяць.
Крім своєї символічної значущості, пілотована місія може закласти й фундамент для розвитку подальших проєктів з комерційної експлуатації астероїдів. Звісно, як ми вже раніше зазначали, навряд чи варто очікувати появи якихось космічних шахтарів, які видобуватимуть руду, що потім транспортуватиметься на Землю. Але астероїди можуть стати важливим джерелом ресурсів для місій, які прямують у далекий космос. І для того, щоб їх використовувати, людству явно доведеться ще багато дізнатися про ці релікти, що залишилися з часів формування Сонячної системи.
