Misja Stardust,
czyli materia komety w ziemskim laboratorium

Do Ziemi dociera sporo materii kosmicznej, ale tylko niewielką jej część udaje się znaleźć w postaci meteorytów. Ich laboratoryjne badania są dziś znaczącym uzupełnieniem dociekań astronomicznych. W przypadku wielu znalezisk potrafimy wiarygodnie orzec, że analizowany obiekt pochodzi np. z Marsa czy z Księżyca, a źródłem innego jest jakaś planetoida. Nie napotkano jednak dotychczas meteorytu, o którym można by powiedzieć, że jest okruchem jądra komety. Może się to wydawać dziwne, skoro znaczna część obserwowanych meteorów należy do rojów, będących jak wiadomo efektem przechodzenia Ziemi przez strumienie meteoroidów, utworzone przez materię komet rozproszoną wzdłuż ich orbit. Niemal sensacją było więc pomyślne zakończenie misji kosmicznej Stardust, dzięki której w ziemskich laboratoriach znalazły się próbki materii pochodzącej z komety Wilda 2.

Kometę 81P/Wilda 2 pierwszy zobaczył szwajcarski astronom Paul Wild w stacji obserwacyjnej Zimmerwald Instytutu Astronomicznego w Bernie. Dostrzegł ją jako rozmytą plamkę o jasności około 14 mag. na zdjęciach nieba eksponowanych 6 i 8 stycznia 1978 r. za pomocą 40 cm kamery Schmidta. Orbitę nowej komety obliczył amerykański badacz ruchów komet B.G. Marsden i pokazał, że obiega ona Słońce w okresie nieco ponad 6 lat w płaszczyźnie niemal pokrywającej się z płaszczyzną ruchu Ziemi. Informacja o odkryciu Wilda ukazała sie w Cyrkularzu Międzynarodowej Unii Astronomicznej datowanym 26 stycznia 1978 r. Analizując, jak kometa poruszała się wokół Słońca, zanim została odkryta, japoński astronom S. Nakano stwierdził rok później, że w 1974 r. przeleciała ona koło Jowisza, którego oddziaływanie grawitacyjne tak zmieniło jej ruch, że mogła zostać z Ziemi zaobserwowana. Jej ponowne odkrycie w następnym pojawieniu nastąpiło w 1983 r. i od tego czasu praktycznie jest już stale śledzona. Pozwoliło to stosunkowo dobrze poznać jej orbitę. Obliczono w szczególności, że wielkie zbliżenie do Jowisza, które umożliwiło jej odkrycie, miało miejsce 9 września 1974 r., a minimalna odległość, w jakiej kometa minęła wtedy największą planetę, wyniosła zaledwie 0,0061 j.a., czyli około 900 tys. km. Spowodowało to zmniejszenie odległości peryhelium komety z 4,95 do 1,49 j.a. i skrócenie okresu jej obiegu wokół Słońca z 43,17 do 6,17 roku.

Obraz jądra komety 81P/Wild 2 uzyskany przez złożenie dwóch zdjęć, jednego o bardzo krótkim czasie ekspozycji, pokazującego szczegóły topografii powierzchni jądra, i drugiego, o dłuższym czasie naświetnenia, pokazujące otoczkę jądra i liczne strugi pyłu i gazu uwalniane przez jądro. Oba zdjęcia zostały uzyskane przy pomocy kamery nawigacyjnej w dniu 2 stycznia 2004 r. Jądro tej komety ma ok. 5 km średnicy

Warto dodać, że wkrótce po odkryciu, 5 sierpnia 1978 r., kometa Wilda 2 przeleciała w odległości zaledwie 0,07 j.a. od Marsa, ale ze względu na znacznie mniejszą masę tej planety nie miało to już tak dużego wpływu na orbitę komety, jak zbliżenie do Jowisza kilka lat wcześniej. Kometa Wilda 2 może też zbliżać się do Ziemi, np. 5 kwietnia 2010 r. przeleci koło naszej planety w odległości 0,67 j.a. i pewnie łatwo będzie można ją wtedy zobaczyć. Obecnie porusza się po orbicie położonej w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny ruchu Ziemi wokół Słońca pod kątem 3,2°, mającej mimośród 0,5 i rozmiary określone odległościami peryhelium i aphelium wynoszącymi odpowiednio 1,6 i 5,3 j.a.

Wybór komety Wilda 2 jako celu misji Stardust został podyktowany głównie dwoma czynnikami. Po pierwsze, możliwością jej osiągnięcia przez sondę kosmiczną po optymalnej energetycznie trajektorii przy planowanej dacie startu z Ziemi. Po drugie, zbadanie komety, która dopiero od niedawna krąży blisko Słońca, wydawało się szczególnie interesujące, ponieważ jest zapewne zbudowana z materii, na którą promieniowanie słoneczne miało znacznie mniejszy wpływ niż w przypadku obiektów, które bliżej i częściej przelatywały koło Słońca. „Świeżość” komety Wilda 2 potwierdziły ostatnio badania jej dynamicznej ewolucji w okresie minionych 8 tys. lat przeprowadzone przez Małgorzatę Królikowską i Sławomirę Szutowicz z Centrum Badań Kosmicznych PAN. Można więc domniemywać, że kometa 81P/Wild 2 kryje w sobie dużo więcej wiadomości o pierwotnej materii Układu Słonecznego niż inne komety krótkookresowe.

Kapsuła sondy Stardust, która wylądowała na pustyni Utah (USA) w dniu 15 stycznia 2006 r., sprowadzając na Ziemię próbki materii kometarnej i międzygwiazdowej

Wystrzelenie z Ziemi sondy Stardust, w ramach czwartej misji amerykańskiego programu Discovery, nastąpiło 7 lutego 1999 r. za pomocą rakiety Delta II (model 7426). Głównym jej celem było przechwycenie i dostarczenie na Ziemię materii z głowy komety Wilda 2 oraz cząstek pyłu międzygwiazdowego penetrującego Układ Słoneczny (obecność pyłu międzygwiazdowego w Układzie Słonecznym została odkryta za pomocą sondy kosmicznej Ulysses w 1993 r.). Sonda ma kształt prostopadłościanu o rozmiarach 1,6 × 0,66 × 0,66 m z rozpościerającymi się po obu jego stronach płatami baterii słonecznych (zapewniającymi wszystkim urządzeniom sondy energię elektryczną o mocy od 170 do 800 W, w zależności od odległości od Słońca). W momencie startu masa sondy wynosiła 385 kg, przy czym 46 kg przypadało na kapsułę przeznaczoną do lądowania na Ziemi, a 85 kg na paliwo konieczne do pracy 16 silniczków umożliwiających manewrowanie sondą. Łączność z Ziemią zapewniała sondzie główna antena o średnicy 0,6 m i dwie anteny pomocnicze.

Zasadniczym elementem wyposażenia naukowego sondy Stardust było urządzenie do pobierania i magazynowania mikrometrowej wielkości cząstek pyłu głowy komety i materii międzygwiazdowej. Składało się ono ze specjalnych paneli (o rozmiarach rakiety tenisowej), wysuwanych z korpusu sondy w odpowiednim czasie i kierunku, z którego spodziewano się uderzeń pyłków. Wypełniała je niezwykła substancja zwana aerożelem. Jest to najlżejszy materiał, jaki zdołano dotychczas wytworzyć (charakteryzujący się gęstością zaledwie 0,02 g/cm³), mający mikroporowatą strukturę złożoną z niemal czystego dwutlenku krzemu. Aerożel jest materiałem wyjątkowo twardym i sztywnym, który ma bardzo małe przewodnictwo cieplne oraz jest niepalny, nietoksyczny i przezroczysty. Jego wyjątkowość sprawia, że znajduje bardzo dużo zastosowań praktycznych, np. jako izolacja termiczna w samolotach. Oszacowano, że do przechwycenia cząstek pyłu kometarnego wystarczy warstwa aerożelu o grubości 3 cm, a cząstek materii międzygwiazdowej tylko 1 cm. Po wykonaniu zadania płytki aerożelu były szczelnie zamknięte w pojemniku, który po umieszczeniu w kapsule lądującej oczekiwał sprowadzenia na Ziemię. Sonda Stardust była ponadto wyposażona w optyczną kamerę nawigacyjną oraz czujniki i analizatory cząstek pyłu.

Areożelowa siatka, która została umieszczona na sondzie Stardust, miała za zadanie zbieranie cząsteczek pyłu, gdy sonda przechodziła zarówno przez ogon komety Wild 2, jak i w przestrzeni międzyplanetarnej

Po trwającym prawie dwa lata pierwszym okrążeniu Słońca sonda Stardust powróciła w pobliże Ziemi i 15 stycznia 2001 r. przeleciała w odległości 6008 km od jej powierzchni, aby wykorzystać oddziaływanie grawitacyjne planety do takiej zmiany trajektorii, która umożliwi osiągnięcie komety Wilda 2. Poruszając się teraz po orbicie okołosłonecznej, położonej w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 3,6° i charakteryzującej się odległością aphelium 2,7 j.a., sonda znalazła się 2 listopada 2002 r. w pobliżu planetoidy (5535) Annefrank, którą minęła z prędkością 7 km/s w minimalnej odległości 3078 km. Wprawdzie zasadniczym celem wykonanych wtedy obserwacji i pomiarów było przetestowanie oprogramowania zapewniającego automatyczne funkcjonowanie urządzeń sondy podczas jej przelotu koło głównego obiektu badań, niemniej jednak uzyskane dane umożliwiły znacznie lepsze niż dotychczas poznanie jeszcze jednej planetoidy.

Mała planeta 1942 EM, odkryta 23 marca 1942 r. w Heidelbergu przez niemieckiego astronoma Karla W. Reinmutha (1892–1979), który zasłynął odkryciem prawie 400 planetoid, otrzymała numer katalogowy 5535 oraz nazwę Annefrank dla uczczenia Anny Frank (1929–1945), żydowskiej dziewczynki zamordowanej w obozie koncentracyjnym w Bergen–Belsen po kilkuletnim ukrywaniu się w Amsterdamie, autorki niezwykłego Dziennika opublikowanego po raz pierwszy w 1947 r. Annefrank należy do pasa głównego planetoid i okrąża Słońce w okresie 3,3 roku po prawie kołowej orbicie położonej w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 4,2°. Oprócz stosunkowo dobrej znajomości jej ruchu wiadomo było, że jest planetoidą typu widmowego S, co oznacza, że na jej powierzchni dominują minerały krzemianowe z domieszkami metali. Obiekty tego typu stanowią około 17% całej populacji planetoid pasa głównego i grupują się przede wszystkim w jego wewnętrznej, bliższej Słońca części. Z pokładu sondy Stardust w ciągu 27 min wykonano kilkadziesiąt zdjęć Annefrank, zaczynając od odległości prawie 11,5 tys. km. Jak należało się spodziewać, ma ona nieregularny kształt, a jej rozmiary oceniono na 6,6 × 5,0 × 3,4 km. Dostrzeżone różnice w jasności powierzchni wydają się wskazywać na obecność paru kilkusetmetrowych struktur będących zapewne kraterami uderzeniowymi. Albedo powierzchni, które oszacowano na 0,24, okazało się typowym dla tego rodzaju obiektów.

Sonda Stardust osiągnęła główny cel swej misji na początku 2004 roku: 2 stycznia o godzinie 19:21 UT dogoniła kometę Wilda 2 i przeleciała w odległości 236 km od jej jądra z prędkością względem niego 6,1 km/s; miało to miejsce w odległości 1,8 j.a. od Słońca i 2,6 j.a. od Ziemi. Warto dodać, że był to najwolniejszy przelot sondy kosmicznej koło komety ze wszystkich dotychczasowych. Przypomnijmy, że sonda ICE minęła kometę Giacobiniego–Zinnera z prędkością 21 km/s, spotkanie sond Vega i Giotto z kometą Halleya nastąpiło ze względną prędkością aż około 70 km/s, a sondy Giotto z kometą Grigga–Skjellerupa — 14 km/s, natomiast wzajemna prędkość przelotu sondy Deep Space 1 koło komety Borrellego wynosiła 16 km/s.

Oprócz łapania cząstek materii obłoku gazowo-pyłowego otaczającego jądro komety Wilda 2 (które zaczęło się 10 dni przed największym zbliżeniem) z pokładu sondy Stardust wykonano 72 doskonałej jakości zdjęcia ukazujące szczegóły na powierzchni jądra o rozmiarach nawet do 20 m. W przeciwieństwie do wydłużonych kształtów dotychczas sfotografowanych jąder komet Halleya i Borrellego, jądro komety Wilda 2 okazało się bardziej kuliste i ma rozmiary 5,5 × 4,0 × 3,3 km. Wydaje się to sugerować, że nie jest ono fragmentem jakiegoś większego obiektu, który się kiedyś rozpadł, ale zawierającym materiały lotne małym ciałem, które znalazło się blisko Słońca i rozpoczyna okres stopniowej degradacji. Ten wniosek potwierdza też widoczne na zdjęciach bogactwo struktur powierzchniowych, będących jakby zapisem zapewne długiej już jego ewolucji w zewnętrznych rejonach Układu Słonecznego.

Obfitość i różnorodność zaobserwowanych tworów na powierzchni jądra komety Wilda 2 wydaje się ponadto wskazywać na dominację jakichś sił spójności konsolidujących jego bryłę, nad siłami grawitacji, które mogłyby utrzymywać w obecnym kształcie zbiorowisko niewielkich cząstek materii. O tym, że niektóre jądra komet mogą być takimi samograwitacyjnymi zlepkami pierwotnej materii dysku protoplanetarnego, świadczy m.in. kometa Shoemaker–Levy 9, która przelatując koło Jowisza w 1992 r. rozpadła się pod wpływem pochodzących od niego sił pływowych, a fragmenty tego rozpadu zbombardowały dwa lata później największą planetę. Obserwacje tego zderzenia komety z planetą były niezwykłym i pamiętnym wydarzeniem astronomicznym 1994 r., które znacząco wzbogaciło wiedzę o kometach i o Jowiszu.

Struktury koliste na powierzchni jądra komety Wilda 2 wydają się mieć pochodzenie uderzeniowe. Są to na ogół niewielkie zagłębienia (o średnicach nie większych niż 2 km) dające się wyraźnie podzielić na dwa rodzaje: niecki podobne do małych kraterów księżycowych oraz depresje o płaskich dnach i niemal prostopadłych do nich ścianach uskokowych. Te różnice próbuje się tłumaczyć odmienną spójnością materii różnych obszarów powierzchni. Ponadto zaobserwowano mające nieregularne kształty depresje oraz wzniesienia o płaskich szczytach ograniczonych uskokami, czyli tzw. ostańce. Sądzi się, że są one pozostałościami po wcześniejszej aktywności sublimacyjnej jądra komety. To przypuszczenie potwierdzają dostrzeżone korelacje tych form ukształtowania powierzchni z prawdopodobnymi miejscami obecnego wypływu strumieni materii, które udało się zlokalizować.

Ocenia się, że niemal 20% powierzchni jądra było aktywne w czasie zbliżenia sondy Stardust do komety Wilda 2. Za pomocą instrumentu monitorującego obecność i intensywność strumieni pyłu w pobliżu jądra stwierdzono, że prawie 80% uderzeń cząstek pyłu nastąpiło w okresie od 620 do 720 s po największym zbliżeniu, co odpowiada odległości od jądra od 3810 do 4420 km. Oszacowano także, że aerożelowa pułapka powinna była przechwycić 2800 ± 500 cząstek pyłu o średnicach co najmniej 15 mikrometrów i masach rzędu 6×10^–7 kg.

Po trzecim okrążeniu Słońca sonda Stardust znowu znalazła się w pobliżu Ziemi i 15 stycznia 2006 r. zasobnik z pyłem kometarnym został zrzucony na Ziemię. Jego lądowanie na spadochronie miało miejsce na pustyni Utah w Stanach Zjednoczonych. Towarzyszył mu wielki niepokój o powodzenie całej operacji, bowiem było to dokładne powtórzenie nieudanego niestety zakończenia misji Genesis w dniu 8 września 2004 r. Wtedy podczas sprowadzania na Ziemię kontenera, zawierającego pobrane wcześniej w przestrzeni międzyplanetarnej cząstki wiatru słonecznego, nie otworzył się spadochron i kapsuła runęła na Ziemię z prędkością 311 km/h, co oczywiście doprowadziło do jej uszkodzenia (część zawartości udało się jednak uratować). W przypadku misji Stardust, w której zastosowano takie same procedury i rozwiązania techniczne, lądowanie kapsuły w pełni się powiodło i wkrótce w ziemskich laboratoriach rozpoczęły się bezprecedensowe badania materii komety.

Do badań pyłków używano m.in. działka powietrznego, którym „wstrzeliwano” cząsteczki do aerożelu. Zostawiane w tej substancji ślady świadczą o wielkości i energii niesionej przez cząsteczki

Pierwsze oględziny sprowadzonych na Ziemię płytek aerożelu wzbudziły entuzjazm badaczy: dostrzeżono nadspodziewanie dużo śladów uderzeń i zagnieżdżonych pyłków; większość jest mniejsza niż 50 mikrometrów, ale rozmiary około 45 cząstek pozwalają na zobaczenie ich nawet gołym okiem. Już początkowe analizy składu niektórych z dotychczas wydobytych cząstek pyłu kometarnego doprowadziły do zaskakujących wniosków. Okazało się bowiem, że zawierają one minerały (m.in. oliwin, spinel, anortyt, piroksen), które mogły powstać jedynie w bardzo wysokich temperaturach, przewyższających 1000°C. Jeśli więc przyjąć, że krystalizowały w pobliżu powstającego Słońca, to w jaki sposób znalazły się w komecie, która przecież musiała utworzyć się w znacznie chłodniejszych, oddalonych od Słońca rejonach Układu Słonecznego? A może reprezentują one materię pochodzącą spoza naszego Układu? Te fundamentalne pytania, jakie przyniosła misja Stardust, wydają się ożywiać dawny i trochę już chyba zapomniany problem pochodzenia komet, który kilkadziesiąt lat temu należał do najważniejszych zagadnień astronomii kometarnej. Przypomnijmy, że wnikliwe analizy ruchów komet wydawały się wskazywać, że przynajmniej niektóre z obserwowanych obiektów mogą być pochodzenia międzygwiazdowego.

Dwukrotnie podczas misji Stardust, od 22 lutego do 1 maja 2000 r. i od 5 sierpnia do 9 grudnia 2002 r., gdy sonda poruszała się mniej więcej równolegle do kierunku strumienia cząstek pyłu międzygwiazdowego, trwały próby pobrania również i tej materii. Dotychczasowe wiadomości o przepływie materii międzygwiazdowej przez Układ Słoneczny pozwoliły ocenić, że w wyniku przeprowadzonego eksperymentu być może uda się złapać kilkadziesiąt jej cząstek. Ze względu na ich mikroskopowe rozmiary znalezienie w aerożelu, a potem badanie nielicznych pyłków materii międzygwiazdowej jest znacznie trudniejsze niż bardzo wielu większych pyłków materii kometarnej. Kierownictwo misji postanowiło zwrócić się z prośbą o pomoc w ich poszukiwaniu do amatorów, ogłaszając projekt Stardust@Home, do którego może przystąpić każdy posiadacz dobrego komputera. Wyposażony przez organizatorów akcji w specjalny program zwany wirtualnym mikroskopem może stać się odkrywcą cząstki pyłu międzygwiazdowego, złapanej przez sondę kosmiczną Stardust. Szczegółowe informacje na ten temat można znaleźć na stronie internetowej: http://stardustathome.ssl.berkeley.edu.

Doktor Krzysztof Ziołkowski był przez wiele lat redaktorem naczelnym „Uranii”. Obecnie jest sekretarzem naukowym Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie. Jego badania naukowe dotyczą dynamiki małych ciał Układu Słonecznego