Niezwykła podróż sondy NASA Lucy w przeszłość Układu Słonecznego

Takich niezwykłych misji w historii astronomii i to tej niedawnej mieliśmy wiele. W zasadzie żyjemy wciąż w czasach, gdy każda misja jest na swój sposób przełomowa. Jednak niektóre z nich zasługują na szczególne wyróżnienie. Należy do nich zaliczyć łaziki marsjańskie, misję Cassini-Huygens do Saturna czy New Horizons do Plutona i jeszcze dalej.

Cel misji Lucy i skąd wzięła się taka nazwa

Zasad nazywania badawczych pojazdów kosmicznych jest kilka. Może to być pełna nazwa, szczególnie gdy jest krótka i dobrze oddaje charakter misji. Innym rozwiązaniem jest skrótowiec powstały od wybranych liter słów określających cel projektu. W ten sposób najczęściej nazywa się także instrumenty naukowe. Trzecia możliwość to nazwa nadana w celu uhonorowania ważnych dla nauki lub ludzkości osób, wydarzeń.

Obejrzyj w

Misję Lucy nazwano na cześć skamieniałości jednego z najstarszych hominidów, które w listopadzie 1974 roku odkryto w Afryce i nazwano właśnie Lucy. Była to samica, której szkielet zachował się prawie w 40%. Wiek skamieniałości wyliczono na około 3,2 miliona lat. Tamto odkrycie jak podkreślają członkowie zespołu misji Lucy diametralnie zmieniło sposób pojmowania najwcześniejszej historii rodzaju ludzkiego.

Misja Lucy ma w podobny sposób zmienić sposób w jaki postrzegamy historię, jeszcze odleglejszą, bo początki Układu Słonecznego. Zbudowany jest on z planet, księżyców i niezliczonej liczby komet i asteroid. Te ostatnie mieliśmy już okazję poznać na różne sposoby, a nawet wylądować na nich lub pobrać próbki, które powróciły na Ziemię. Wciąż jednak te obiekty, które są świadkami wczesnych chwil naszego układu planetarnego, kryją wiele tajemnic.

Montaż sondy Lucy wewnątrz owiewki rakiety

Część asteroid budzi zainteresowanie nie tylko z przyczyn naukowych, ale także jako szansa na zarobek. Mowa tu o 16 Psyche, do której w przyszłym roku ruszy inna misja NASA. Są też asteroidy niezwykłe ze względu na orbity po jakich się poruszają i to ku nim ruszyła sonda Lucy.

Czym są asteroidy trojańskie?

Asteroidy trojańskie czy też Trojańczycy, to obiekty, które poruszają się po podobnej orbicie jak Jowisz. Ich pozycje względem Jowisza i Słońca są praktycznie wciąż takie same. W rzeczywistości obiekty te znajdują się w pobliżu tak zwanych punktów Lagrange’a L4 i L5 dla układu mas Jowisz-Słońce. To punkty libracyjne, położone na wierzchołkach trójkątów równobocznych, w których podstawa to linia łącząca środki mas Jowisza i Słońca. Obiekty umieszczone w punkcie libracyjnym pozostają wciąż w tej samej pozycji w stosunku do Jowisza w trakcie obiegu Słońca.

W praktyce Trojańczycy, których znamy ponad 10000 tysięcy nie znajdują się idealnie w punktach L4 i L5. Są one rozproszone względem tych punktów, dlatego choć zachowują podobną pozycję względem Jowisza w ruchu orbitalnym, orbitują jednocześnie wokół wspomnianych punktów libracyjnych.

W efekcie stale poruszają się wraz z tymi punktami i Jowiszem wokół Słońca. Dlatego dla obserwatora z Ziemi, te asteroidy wydają się poruszać w tym samym tempie wokół Słońca co Jowisz.

Jedna z grup, potocznie określana mianem Greków, znajduje się przed Jowiszem na orbicie, druga z grup, czyli Trojańczycy, za nim. Poniższa animacja pokazuje jak wygląda dynamika takiego układu. Podobne konfiguracje powstają w układach Słońce i inna planeta. Nawet Ziemia ma jedną znaną asteroidę typu trojańskiego o mało atrakcyjnej nazwie 2010 TK7.

Obejrzyj w

W ramach misji Lucy odwiedzonych zostanie siedem z asteroid trojańskich. Dotrzeć do nich nie będzie łatwo, gdyż poruszają się one nie tylko względem Słońca, ale na dodatek względem punktów libracyjnych. Sonda Lucy będzie potrzebowała do tego aż 12 letniej misji. Na dodatek trajektoria sondy względem Jowisza będzie jedną z najniezwyklejszych w historii badań Układu Słonecznego.

Jak będzie wyglądać podróż sondy Lucy? Jakie obiekty odwiedzi?

Sonda Lucy wystrzelona 16 października rozpocznie swoją wędrówkę wokół Słońca stopniowo rozciągając swoją eliptyczną orbitę wokół Słońca. W 2022 roku wykorzysta przelot w pobliżu Ziemi, by oddalić się poza orbitę Marsa w najdalszym punkcie swojej orbity, a w 2024 roku podobna asysta grawitacyjna pomoże jej wejść na tor lotu ku grupie Trojańczyków poruszającej się przed Jowiszem.

Wizualizacja lotu sondy Lucy

W drodze odwiedzi asteroidę Donald Johannson z głównego pasa asteroid. To najmniejszy z badanych obiektów jedynie o średnicy około 4 kilometrów. Ciekawostką jest fakt, że nazwano ją niedawno na cześć jednego z członków ekipy paleontologów, którzy odkryli szczątki Lucy. Sonda przeleci w pobliżu tej asteroidy 20 kwietnia 2025 roku w odległości 922 kilometrów.

Potem Lucy skieruje się już ku Trojańczykom. Jednak by nie było nudno, w pewnym momencie niejako zawróci w swoim ruchu względem Słońca, rozpoczynając ruch w kierunku przeciwnym do kierunku w jakim poruszają się Jowisz i Ziemia po wokółsłonecznych orbitach.

Trajektoria sondy Lucy przy nieruchomym Jowiszu jako punkcie odniesienia

Lucy przeleci przez grupę Trojańczyków (L4) poruszającą się przed Jowiszem zbliżając się do pięciu z nich w 2027 i 2028 roku. Potem sonda z powrotem zanurzy się we wnętrzu Układu Słonecznego. Zbliży się do Ziemi, minie ją w grudniu 2030 roku, by w marcu roku 2033 dolecieć do drugiej grupy asteroid trojańskich (L5), goniącej Jowisza w swoim ruchu orbitalnym. Tam odwiedzi dwie kolejne asteroidy tworzące ciekawy układ podwójny. Potem sonda pozostanie na stabilnej orbicie i będzie prawdopodobnie w stanie ponownie odwiedzać inne obiekty z grupy Trojańczyków, ale to na razie odległa przyszłość.

Siedmiu Trojańczyków, z którymi spotka się sonda Lucy

Każda z 7 asteroid trojańskich, które ma wedle planów odwiedzić sonda Lucy, są dużo większe niż pierwsza napotkana asteroida. I tak:

• Eurybates i Queta – pierwsza z nich ma rozmiar około 64 km i należy do typu C, czyli asteroid podobnych jak te obecne w zewnętrznych rejonach głównego pasa asteroid, Queta jest jej malutkim satelitą,
• Polymele – jej średnica to 24 km, a typ P świadczy o bardzo małej jasności powierzchniowej, przypuszcza się też, że pod powierzchnią może znajdować się warstwa lodu, jej okres obrotowy to około 6 godzin,
• Leucus – ma podobne rozmiary i typ D, który sugeruje że powstała poza orbitą Neptuna, ale za to rotuje bardzo powoli, doba na tej asteroidzie to aż 440 godzin, jest to bardzo wydłużony obiekt, jej duża oś ma 31 km, a krótka tylko 15 km (efektywna średnica to około 20 km),
• Orus – to również asteroida typu D, o efektywnej średnicy 62 km, jest podobna do Eurybatesa, ale ma inną historię powstania,
• Patroclus i Menoetius – w tym podwójnym systemie, każdy ze składników ma około 100 km średnicy i podobną budowę, wśród trojańczyków tego typu obiekty podwójne o równo rozłożonej masie są rzadkością.

To nie jedyne różnice. Choć obecnie obiegają one Słońce jako członkowie grup, które wydają się związane ze sobą ewolucyjnie, w praktyce powstały one w różnych miejscach Układu Słonecznego. Dopiero po uformowaniu się Jowisza zostały uwięzione w pułapkach grawitacyjnych jakimi są okolice punktów libracyjnych na orbicie Jowisza. Pozostałe asteroidy, albo wchodzą obecnie w skład pasa głównego asteroid, albo jeszcze przed miliardami lat zostały pochłonięte przez grawitację gazowych gigantów lub wyrzucone do zewnętrznych regionów Układu Słonecznego.

Analiza zewnętrznej budowy geologicznej, składu powierzchniowego, własności wewnętrznych tak różnorodnej próbki jaką stanowią asteroidy trojańskie pomoże dokładniej zrozumieć w jaki sposób formował się Układ Słoneczny.

Jak wyglądał start sondy Lucy?

Sonda została umieszczona w górnym członie na szczycie rakiety Atlas V 401. O godzinie 11:34 czasu środkowoeuropejskiego nastąpił udany start. Półtorej godziny później sonda oddzieliła się od rakiety, rozłożyła swoje okrągłe panele słoneczne, z których każdy ma średnicę aż 7,3 metra. Ta konfiguracja przypomina tę znaną nam z lądownika InSight, który pracuje na Marsie.

Start misji Lucy 16 października 2021

Tak duże panele słoneczne są potrzebne do pracy gdy sonda znajdzie się w podobnej odległości jak Jowisz. W momencie największego oddalenia się od Słońca budżet energetyczny sondy wyniesie około 500 W. Sonda nawiązała pierwszy kontakt z naziemną siecią DSN nieco ponad godzinę po starcie. Wszystko jest w najlepszym porządku, a sonda porusza się obecnie z prędkością około 100 tysięcy kilometrów na godzinę.

Obejrzyj w

Jak wygląda sonda Lucy?

Główny moduł sondy Lucy nie jest ogromnym obiektem. Jest wręcz całkiem niewielki, a sonda bez paliwa waży 771 kilogramów (z paliwem 1500 kilogramów). Tym co czyni całą sondę dużą, są wspomniane okrągłe panele słoneczne. W efekcie cała sonda ma 15,82 metra szerokości, wysokość 7,28 metra i głębokość 2 metrów.

Jeden z paneli słonecznych w trakcie testów

Wcześniej w historii eksploracji kosmosu, sondy osiągające orbity tak dalekie jak jowiszowa były wysyłane z zasilaniem w postaci radioizotopowych generatorów termoelektrycznych.

Sonda Lucy w trakcie montażu

Ostatnio jednak, z różnych względów, zdecydowano się na zastosowanie potężnych paneli słonecznych. Podobne, choć inne kształtem rozwiązanie ma sonda Juice, która ma w 2022 roku ruszyć w kierunku Jowisza i jego księżyców, a także obecna na orbicie tej planety od 2016 roku sonda Juno.

Instrumenty naukowe Lucy. W prostocie siła

Na pokładzie sondy Lucy znalazło się stosunkowo niewiele instrumentów, a ze względu na charakter obserwacji, które przede wszystkim będą koncentrować się na analizie danych optycznych, spektroskopowych i termicznych, są to głównie niewielkie teleskopy.

Obejrzyj w

Pierwszy z nich L’LORRI (Lucy LOng Range Reconnaissance Imager) to kamera i teleskop podobny jak ten, za pomocą którego wykonano zdjęcia Plutona, a także obiektu Arrokoth w 2019 roku. Urządzenie udoskonalono, zastosowano wytrzymalsze elementy konstrukcyjne, a także pojemniejszą pamięć na zdjęcia. Zgodnie z planami, kamera jest w stanie rejestrować z odległości 1000 km obiekty o średnicy około 70 m. Jej 1 Mpix sensor (1024 x 1024 piksele) przygotowany jest do obserwacji bardzo słabych obiektów.

Elementy optyczne kamery wykonano z węglika krzemu, a konstrukcja jest bardzo prosta. Nie ma tu nawet mechanizmu ustawiania ostrości, a obrazy rejestrowane są jedynie monochromatycznie, z wykorzystanie całego dostępnego dla sensora widma światła. Celem tego instrumentu jest bowiem jak najdokładniejsze poznanie wyglądu asteroid.

Kamera L'LORRI i tubus teleskopu widoczne na górze, czerwone zatyczki przesłaniają kamery nawigacyjne, a przypominający persykop element na dole sondy to kamera L'Ralph

Konstrukcję teleskopu wykorzystuje również L’TES (Thermal Emission Spectrometer). Zbierze on sygnał w dalekiej podczerwieni, co pozwoli określić dokładnie temperaturę powierzchniową.

Instrument L'TES

Obserwacje nie będą jednak wyłącznie monochromatyczne. Wszak w barwach kryje się nie tylko piękno obiektu, ale i wiele jego cech składu chemicznego. Dlatego Lucy wyposażono także w instrument L’Ralph, który pojedynczy układ optyczny dzieli pomiędzy dwa urządzenia. Pierwsze z nich to multispektralna kamera obrazująca MVIC, a drugie to spektroskop podczerwieni LEISA.

Kamera MVIC zarejestruje obraz w sześciu pasmach widma światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. W tym celu wyposażono ją w sześć niezależnych sensorów CCD, które mają kształt linijek o wymiarach 65 x 5000 pikseli. Z kolei LEISA wykorzystuje etalon, czyli rodzaj interferometru, zbudowany z elementów refleksyjnych i warstwy szafiru, które pełnią razem rolę podobną jak pryzmat.

Również w przypadku instrumentu L’Ralph wyeliminowano większość elementów ruchomych, by zminimalizować ryzyko awarii kamery. Lustra są wykonane tutaj ze szlifowanego z pomocą cząstek diamentów aluminium. Kamera ma monolityczną obudowę.

Pozostałe dwa instrumenty to w praktyce wykorzystane do celów naukowych kamery śledzące pozycję sondy względem innych obiektów na niebie, a także 2 metrowa antena nadawczo-odbiorcza.

Sonda w konfiguracji do startu, z widoczną anteną wysokiej mocy

Kamery zarejestrują obrazy o szerokim polu widzenia, a antena pozwoli na radiową ocenę zmian położenia, co przełoży się na precyzyjną ocenę masy obserwowanych asteroid.

Przesłanie dla przyszłych pokoleń, także w języku polskim

Choć sonda Lucy nie ma w planach opuszczenia Układu Słonecznego to może na miliony lat pozostać na stabilnej orbicie wokół Słońca.

Plakietka misji Lucy, po prawej na dole tekst Olgi Tokarczuk

Stanowi zatem doskonały nośnik przesłania dla przyszłych pokoleń. Tym razem na sondzie umieszczono plakietkę, na której wygrawerowano myśli ważnych dla ludzkości osób. Ponieważ są one wyrażone w języku ojczystym, znalazły się tam napisy po angielsku, turecku, hiszpańsku i polsku.

Źródło: NASA, Lockheed Martin, inf. własna