W końcu lat 90. ubiegłego wieku, gdy w Stanach Zjednoczonych przygotowywano do startu sondę Stardust dla pobrania próbek materii z głowy komety i sprowadzenia ich na Ziemię, w Japonii intensywnie pracowano nad niezwykle ambitnym programem dostarczenia na Ziemię próbek materii z powierzchni planetoidy. Pierwotne plany przewidywały, że sonda kosmiczna Muses-C po starcie z Ziemi w styczniu 2002 r. i lądowaniu na krótko na planetoidzie (4660) Nereus we wrześniu 2003, powróci w pobliże Ziemi i w styczniu 2006 r. zrzuci na australijską pustynię kapsułę z materią pobraną z powierzchni planetoidy. Odkryty w 1982 r. obiekt Nereus, należący do tzw. planetoid bliskich Ziemi, okrąża Słońce — niemal w tej samej płaszczyźnie co Ziemia — w okresie 1,8 roku, po eliptycznej orbicie o mimośrodzie 0,36, której odległości peryhelium i aphelium wynoszą odpowiednio 0,95 i 2,02 j.a. W styczniu 2002 r. planetoida ta przeleciała koło Ziemi w odległości zaledwie 0,028 j.a. (4,2 mln km), a wykonane wtedy sondowania radarowe pokazały, że jest niewielkim obiektem o średnicy około 0,3 km. Początek 2006 r. miał więc przejść do historii badań kosmicznych jako rozpoczęcie laboratoryjnych analiz tworzywa, z którego powstał Układ Słoneczny: nie tylko pyłków z głowy komety Wilda 2 pobranych przez sondę Stardust, które w styczniu 2006 r. miały znaleźć się na Ziemi, ale także okruchów powierzchni planetoidy Nereus wybitych i przechwyconych przez sondę Muses-C. Sonda Stardust spełniła pokładane w niej nadzieje (o czym była mowa w „Uranii” nr 5/2006), natomiast misja Muses-C z przyczyn technicznych została przesunięta w czasie, a jej nie pozbawiony kłopotów przebieg przyniósł, niestety, znacznie skromniejsze rezultaty niż oczekiwano.
Wystrzelenie sondy Muses-C nastąpiło 9 maja 2003 r. z kosmodromu Kagoshima za pomocą rakiety M-5. Zgodnie z japońskim zwyczajem z chwilą rozpoczęcia misji zmieniono dotychczas używaną, prowizoryczną nazwę Muses-C, wskazującą, że jest to trzeci (C) technologiczny statek kosmiczny (ses — ang. space engineering spacecraft) wyniesiony w przestrzeń kosmiczną za pomocą rakiety serii M (Mu), na atrakcyjniejszą — Hayabusa, która w języku japońskim oznacza sokoła wędrownego. Przełożenie o kilkanaście miesięcy startu sondy sprawiło, że planetoidy Nereus nie dało się już osiągnąć w rozsądnym terminie, co spowodowało konieczność poszukania nowego celu badań. W 2000 r. wybór padł na niedawno odkryty obiekt 1998 SF36, który też jest planetoidą bliską Ziemi okrążającą Słońce co 1,5 roku po trajektorii podobnej do orbity Nereus (odległości peryhelium i aphelium wynoszą odpowiednio 0,95 i 1,69 j.a., a mimośród jest równy 0,28). Planetoida 1998 SF36 została po raz pierwszy dostrzeżona 25 września 1998 r. w ramach amerykańskiego programu LINEAR poszukiwania obiektów,
które mogą zagrażać Ziemi. Intensywne badania własności fizycznych planetoidy stały się możliwe dzięki jej zbliżeniom do Ziemi: 29 marca 2001 r. na odległość 0,038 j.a. (5,7 mln km) i 26 czerwca 2004 r. na jeszcze mniejszą odległość 0,013 j.a. (1,9 mln km). W kilka miesięcy po starcie sondy Hayabusa Międzynarodowa Unia Astronomiczna nadała obiektowi 1998 SF36 nazwę (25143) Itokawa, dla upamiętnienia profesora Uniwersytetu w Tokio Hideo Itokawy (1912–1999), który jest uważany za „ojca” eksploracji przestrzeni kosmicznej w Japonii.
Rys. 1 Artystyczna wizja lądowania Hayabusa na planetoidzie
Głównym celem naukowym misji Hayabusa było zbadanie planetoidy Itokawa i dostarczenie na Ziemię materii pobranej z jej powierzchni. Jego osiągnięcie miało służyć realizacji zadania technicznego misji, jakim było przetestowanie czterech nowych technologii: silnika jonowego sondy, automatycznego systemu nawigacji, metody pobierania próbek materii z powierzchni planetoidy i sposobu dostarczenia ich na Ziemię. Plan misji przewidywał więc, że sonda Hayabusa, po wystrzeleniu z Ziemi na okołosłoneczną trajektorię podobną do orbity Ziemi, w wyniku długotrwałej pracy silnika jonowego oraz dzięki wspomaganiu grawitacyjnemu Ziemi, w lecie 2005 r. doleci do Itokawy i przez około 5 miesięcy będzie poruszać się wokół Słońca w niewielkiej od niej odległości. W tym czasie, wykorzystując automatyczny system nawigacji, trzykrotnie zbliży się do planetoidy i poprzez krótkotrwałe jakby „dziobnięcie” jej powierzchni pobierze z niej odrobinę materii. Następnie, wykorzystując znowu silnik jonowy, skieruje się z powrotem ku Ziemi, by w lecie 2007 r. zrzucić na spadochronie kapsułę z niezwykłą zdobyczą.
Sonda Hayabusa ma kształt prostopadłościanu o rozmiarach 1,5 × 1,5 × 1,2 m, a jej masa w momencie startu wynosiła 530 kg (w tym 50 kg paliwa chemicznego i 65 kg ksenonu — gazu niezbędnego do pracy silnika jonowego). Energię elektryczną zapewniają sondzie baterie słoneczne (dwa panele o całkowitej powierzchni 12 m2), a łączność z Ziemią odbywa się za pomocą parabolicznej anteny o średnicy 1,5 m. Oprócz dwóch identycznych silników jonowych sonda jest wyposażona w system silniczków na paliwo chemiczne o sile ciągu 22 N, przeznaczonych głównie do manewrowania sondą podczas zbliżeń do planetoidy. W skład aparatury naukowej wchodzą dwie kamery (wąsko- i szerokokątna), dwa spektrometry (bliskiej podczerwieni i promieniowania rentgenowskiego) oraz przyrząd do laserowego pomiaru odległości od powierzchni planetoidy. Aparatura do pobrania próbek materii ma kształt lejka, którego średnica na końcu wynosi 40 cm, wysuniętego z korpusu sondy. Dotknięcie nim na moment powierzchni powoduje uruchomienie urządzenia pirotechnicznego: metalowy pocisk o masie 10 g, poruszając się wewnątrz lejka z prędkością 200–300 m/s, uderza w powierzchnię planetoidy, a wybite z niej i uniesione wewnątrz lejka drobiny materii zostają przechwycone do znajdującego się na jego szczycie pojemnika i szczelnie w nim zamknięte. Cały proces pobrania materii z powierzchni planetoidy trwa około sekundy. Pojemnik, w którym ma ona dotrzeć na Ziemię, ma kształt walca o średnicy 40 cm i wysokości 25 cm oraz masę około 20 kg.
Ultramały (591 gramów) robot–lądownik MINERVA
Rys. 2 Planetoida Itokawa widziana przez Hayabusa z różnej perspektywy z odległości ok. 25 km
Na pokładzie sondy znalazł się ponadto amerykański miniaturowy próbnik MINERVA (ang. MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid), który po zrzuceniu na powierzchnię planetoidy z niewielkiej wysokości i skokowym przemieszczaniu się po niej miał dostarczyć informacji o morfologii, strukturze oraz charakterystykach mechanicznych i termicznych pokrywającego ją regolitu. Urządzenie o wielkości dużego grejpfruta i masie zaledwie 590 gramów było wyposażone w kamerę multispektralną i czujniki temperatury. Zastąpiło ono początkowo planowany czterokołowy pojazd o masie około kilograma, będący zminiaturyzowaną wersją pojazdów marsjańskich, który Hayabusa miała dostarczyć na powierzchnię planetoidy. W listopadzie 2002 r. NASA odstąpiła jednak od jego realizacji z powodu ograniczeń finansowych i zbyt krótkiego czasu na przygotowanie tego niezwykle trudnego i ambitnego przedsięwzięcia.
W nieco ponad rok po udanym starcie z Ziemi i pomyślnym rozpoczęciu powolnego przyspieszania sondy za pomocą silnika jonowego, Hayabusa znów znalazła się w pobliżu Ziemi, przelatując 19 maja 2004 r. nad południowym Pacyfikiem w minimalnej odległości 3725 km od powierzchni. To zbliżenie do masywnej planety, dzięki jej oddziaływaniu grawitacyjnemu, zostało wykorzystane do zaplanowanej naturalnej zmiany trajektorii sondy. Ułatwiony w tym czasie kontakt z sondą umożliwił ponadto stwierdzenie, że silne wybuchy na Słońcu w jesieni 2003 r. wywołały prawdopodobnie degradację niektórych elementów baterii słonecznych, co spowodowało pewien niedobór energii elektrycznej na pokładzie i w konsekwencji zmniejszenie mocy silnika jonowego. W wyniku tego Hayabusa dotarła do celu z dwumiesięcznym opóźnieniem.
W końcu sierpnia 2005 r., gdy odległość Hayabusy od Itokawy wynosiła około 5000 km i sonda zbliżała się do
planetoidy z prędkością około 32 km/h, oba silniki jonowe zostały wyłączone. Działając w sumie przez prawie 26 tys. godzin, co pochłonęło 22 kg ksenonu, zmieniły prędkość sondy o 1,4 km/s. Dalsze manewry, wykonywane za pomocą silniczków korekcyjnych, doprowadziły do tego, że od 12 września sonda poruszała się wokół Słońca mniej więcej w stałej odległości około 20 km od planetoidy. Różnica heliocentrycznych prędkości Itokawy i Hayabusy była w tym czasie na ogół mniejsza niż 1 mm/s. Prowadzone odtąd wnikliwe obserwacje planetoidy pozwoliły stwierdzić, że Itokawa ma rozmiary 535 × 294 × 209 m i robi wrażenie zlepka dwóch brył. Ze zmian ruchu sondy wywołanych oddziaływaniem grawitacyjnym planetoidy udało się oszacować masę Itokawy na (3,510 ± 0,105) × 1010 kg, co z kolei pozwoliło stwierdzić, że jej gęstość wynosi zaledwie 1,90 ± 0,13 g/cm3. Stosunkowo dokładnie zdołano też określić orientację osi i okres rotacji, który wynosi 12,1324 godziny. Analiza wielu przekazanych na Ziemię zdjęć powierzchni, ukazujących szczegóły nawet centymetrowych rozmiarów, umożliwiła nie tylko poznanie topografii Itokawy, ale przede wszystkim wytypowanie dwóch miejsc, z których miało nastąpić pobranie próbek materii.
W locie Hayabusy pojawiły się jednak pewne problemy. W końcu lipca uległo uszkodzeniu jedno z kół żyroskopowych, a na początku października nastąpiła awaria drugiego, co spowodowało konieczność zmiany automatycznego systemu nawigacji w taki sposób, aby zapewnił wykonanie zadań za pomocą tylko jednego koła żyroskopowego i silniczków korekcyjnych. Po udanym przeprogramowaniu komputera pokładowego sterującego pracą sondy, podjęto pierwszą próbę „dziobnięcia” Itokawy w dniu 4 listopada. Ale gdy sonda znalazła się w odległości około 700 m od jej powierzchni, utraciła z niewiadomych przyczyn zdolność rozpoznawania celu i dalsze działania zostały automatycznie przerwane, a sonda oddaliła się od planetoidy. Próbę ponowiono po kilku dniach najpierw udanym zrzuceniem na powierzchnię z wysokości około 70 m tzw. znacznika celu, a następnie w dniu 12 listopada usiłowaniem osadzenia na powierzchni próbnika MINERVA, który powinien był zostać automatycznie odłączony od sondy, gdy znalazła się w odległości 15 m od powierzchni i opaść na nią z prędkością 5 cm/s. Jak się później okazało, nastąpiło to niestety na większej wysokości, skutkiem czego próbnik nie trafił w powierzchnię i minął planetoidę, odlatując bezpowrotnie w przestrzeń międzyplanetarną. Kolejna próba dotknięcia Itokawy znowu musiała zostać przerwana.
Rys. 4 Planetoida Itokawa widziana z coraz to mniejszej odległości i miejsce planowanego lądowania
Hayabusa
Trzecią próbę pobrania materii z powierzchni planetoidy Hayabusa podjęła 19 listopada 2005 r. Proces zbliżania się do Itokawy przebiegał prawidłowo aż do odległości około 17 m od powierzchni (gdy sonda zniżała się już z prędkością zaledwie 2 cm/s), kiedy to nastąpiło przerwanie łączności z Ziemią, wskutek — być może — utraty stabilizacji. Gdy po kilkunastu godzinach odzyskano kontakt z sondą i odczytano cały zapis przebiegu jej kolejnego spotkania z planetoidą, okazało się, że Hayabusa prawdopodobnie przez kilkadziesiąt minut znajdowała się na powierzchni Itokawy, ale pocisk, który miał doprowadzić do uniesienia z niej okruchów materii, nie został odpalony. Po nieudanej znowu próbie „dziobnięcia” sonda oddaliła się od planetoidy na odległość około 100 km (mimo planowanych 3 km).
Do kolejnego i ostatniego już zbliżenia Hayabusy do Itokawy doszło 25 listopada i tym razem niewykluczone, że się udało. O godzinie 22.07 UT, po uprzednim zrzuceniu po raz drugi znacznika celu, sonda dotknęła powierzchni planetoidy, pocisk został prawdopodobnie odstrzelony, a następnie — zgodnie z planem — sonda oddaliła się na odległość kilku kilometrów, oczekując na rozkazy z Ziemi. Nie wiadomo jednak, czy i jaka ilość materii wybitej z powierzchni po uderzeniu pocisku znalazła się w przeznaczonym do tego pojemniku. To okaże się dopiero po jego powrocie na Ziemię.
Po początkowo entuzjastycznych doniesieniach o powodzeniu operacji pobrania materii z powierzchni Itokawy zaczęły napływać niepokojące informacje o stanie Hayabusy. Okazało się bowiem, że uszkodzeniu uległy silniczki sterujące sondy (prawdopodobnie nastąpił niekontrolowany wyciek paliwa), co spowodowało zaburzenie jej orientacji i w konsekwencji utratę z nią łączności. Kontakt z sondą zdołano przywrócić dopiero 29 listopada, ale w bardzo ograniczonym zakresie. Nie powiodła się próba uruchomienia silniczków na paliwo chemiczne. Aby przywrócić stabilizację sondy, umożliwiającą nawiązanie z nią pełnej łączności, zdecydowano się na kontrolowany wyrzut ksenonu, czyli sporego jeszcze zapasu paliwa dla silników jonowych. Ten rozpaczliwy krok przyniósł jednak oczekiwane rezultaty. Dane o przebiegu zetknięcia sondy z planetoidą, które dzięki temu zdołano odzyskać, nasunęły jednak wątpliwości, czy cała operacja „dziobnięcia” powierzchni się udała: nie uzyskano bowiem potwierdzenia, że w momencie dotknięcia pocisk został odstrzelony. Ponowna utrata kontaktu z sondą w dniu 9 grudnia wykluczyła możliwość sprowadzenia na Ziemię w planowanym terminie (w lecie 2007 r.) pojemnika, w którym, być może, znalazły się jednak jakieś okruchy materii z powierzchni Itokawy.
Usilne poszukiwania sposobu ratowania misji wskazały na możliwość powrotu Hayabusy w pobliże Ziemi w połowie 2010 r. Jeszcze raz podjęto więc wysiłek przywrócenia utraconej łączności z sondą. Udało się to w końcu stycznia 2006 r. Wykorzystując sprawne, jak się okazało, silniki jonowe tak ustabilizowano rotację sondy, że kontakt z nią może już być stale utrzymywany. Stwierdzono, że znajdujący się na pokładzie zapas około 30 kg ksenonu wystarczy do przeprowadzenia wszystkich niezbędnych jeszcze manewrów. Pojawiła się więc szansa, że być może 10 czerwca 2010 r. odłączony od Hayabusy pojemnik z materią pobraną z Itokawy wyląduje na spadochronie na poligonie Woomera w Australii. Aby mogło do tego dojść uruchomiono w końcu kwietnia 2007 r. silnik jonowy, co rozpoczęło powrót sondy na Ziemię. Po jego półrocznym działaniu, które zmieniło prędkość sondy o 0,3 km/s, napęd jonowy został wyłączony; jego wznowienie jest jeszcze planowane w lutym 2009 r. dla niezbędnej do osiągnięcia Ziemi zmiany prędkości o 0,4 km/s.
Miejsce lądowania i pobrania próbek przez Hayabusa — Morze Muz (The Muses Sea), które jest polem „otoczaków”
Obraz Morza Muz otrzymany podczas operacji lądowania z wysokości od 80 do 62 m nad powierzchnią. Rozdzielczość przestrzenna wynosi 6–8 mm
Porównanie w tej samej skali powierzchni Erosa, Itokawy i Ziemi
Oczekując z nadzieją na pomyślne, mimo wszystkich kłopotów, zakończenie misji Hayabusa warto jednak podkreślić, że uzyskane już dzięki niej rezultaty znacząco wzbogaciły wiedzę o planetoidach. Zwróćmy przede wszystkim uwagę na to, że Itokawa jest obecnie najmniejszym obiektem Układu Słonecznego szczegółowo zbadanym przez sondę kosmiczną. Co więcej, okazała się być pierwszą planetoidą, o której można z dużym prawdopodobieństwem powiedzieć, że nie jest litą bryłą (jak np. najlepiej dotychczas poznany drogą sondowania Eros), ale luźnym zlepkiem niewielkich cząstek materii, tworzących jednolitą strukturę tylko dzięki ich wzajemnemu przyciąganiu grawitacyjnemu, a nie w wyniku działania między nimi jakichś sił spójności. Wśród przemawiających za tym argumentów wymienia się m.in. małą jej średnią gęstość (1,9 g/cm3), dużą porowatość (ocenianą na około 40%; dodajmy dla porównania, że porowatość np. piasku na plaży wynosi około 20%), obecność na powierzchni żwiru i kamieni (otoczaków) o rozmaitej wielkości, w tym nawet tak dużych bloków, że trudno sobie wyobrazić, aby mogły powstać na obiekcie o tak małych rozmiarach jak Itokawa. Wskazuje to, że planetoida została zapewne utworzona drogą grawitacyjnego związania się fragmentów, na które rozpadła się — w wyniku np. zderzenia — jakaś większa planetoida. Takie pochodzenie Itokawy może też tłumaczyć wyraźnie widoczny fakt, że składa się ona jakby z dwóch złączonych ze sobą owalnych brył, które początkowo niezależnie kondensowały z mniejszych cząstek hipotetycznego rozpadu, a gdy osiągnęły odpowiednie masy, zlepiły się grawitacyjnie w jeden obiekt.
Koncepcje pochodzenia Itokawy, jako zlepka fragmentów rozpadu jakiegoś większego ciała macierzystego, potwierdzają też wyniki badań widmowych, wykonanych z pokładu Hayabusy. Pokazały one w szczególności uwarstwienie dużych otoczaków oraz różnice składu chemicznego mniejszych, co sugeruje, że pierwotny obiekt, z którego rozpadu pochodzą, był na tyle duży i miał na tyle rozgrzane wnętrze, że nastąpiło w nim rozwarstwienie, czyli zróżnicowanie składu warstw materii w zależności od odległości od centrum. W pełni potwierdziły się też rezultaty naziemnych obserwacji, wskazujących, że Itokawa jest planetoidą typu S. Badania spektrometryczne pokazały, że jej powierzchnia jest bogata w takie minerały, jak oliwin i piroksen z domieszkami metali, wykazując podobieństwo do zwykłych chondrytów, czyli meteorytów żelazno-kamiennych, zbudowanych mniej więcej w równych ilościach z minerałów krzemianowych oraz stopu niklowo-żelaznego.
Warto też wspomnieć, że po kilku miesiącach od zbliżenia Hayabusa do Itokawy, planetoida ta została zaobserwowana przez japońskiego satelitę astronomicznego AKARI. Obiekt ten, początkowo nazywany Astro-F, w okresie od 8 maja 2006 r. do 26 sierpnia 2007 r. wykonał przegląd prawie całego nieba w podczerwieni za pomocą teleskopu o średnicy 68,5 cm, chłodzonego ciekłym helem do temperatury 6 K. Pomiary promieniowania podczerwonego, emitowanego przez planetoidy pozwalają m.in. na określanie ich wielkości. Obserwacje Itokawy, wykonane 26 lipca 2007 r., gdy znajdowała się w odległości 0,28 j.a. od Ziemi, też wykorzystano do tego celu, a ponieważ jej rozmiary były już dokładnie znane, więc porównanie wyników umożliwiło ulepszenie stosowanej do tego metody.
Fragment powierzchni planetoidy i sposób pobierania próbek jej materii
Niezależnie od tego, jak dalej potoczą się losy misji Hayabusa, wydaje się, że wszystko to, co dzięki niej dotychczas uzyskano, jest ważnym krokiem naprzód w badaniach ewolucji zderzeniowej i procesu powstawania planet. Itokawa należy do licznej już dziś grupy tzw. planetoid bliskich Ziemi. Wśród nich są i takie, które mogą zderzyć się z Ziemią. Wprawdzie wiemy, że z jej strony nic nam w przewidywalnym czasie nie grozi, ale poznanie budowy zapewne typowej przedstawicielki tych obiektów ma oczywiście istotne znaczenie dla analiz niebezpieczeństwa, jakie może spotkać Ziemię ze strony małych ciał Układu Słonecznego.
Autor jest sekretarzem naukowym w centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie. Jego specjalność naukowa to mechanika nieba, a ściślej obliczenia orbit komet i planetoid. Często możemy widzieć go na ekranach TV i słuchać jego komentarzy i wyjaśnień dotyczących aktualnych zdarzeń w badaniach kosmicznych
