Астероиды для «Люси»: зачем NASA запустило зонд в прошлое Солнечной системы
16 октября 2021 года стартовал космический зонд «Люси». Его миссия уникальна по нескольким причинам. Во-первых, зонд нанесет визит не одному или двум, а сразу восьми астероидам. Это исторический рекорд, еще никогда один космический зонд не посещал такое количество тел Солнечной системы. Во-вторых, это первый полет к троянским астероидам Юпитера — загадочным объектам, о которых мы знаем очень мало. Эти астероиды, вероятно, представляют собой планетезимали — зародыши планет, почти не изменившиеся за последние 4,5 млрд лет. Из такого «эмбриона» когда-то образовалась и Земля, так что это шанс заглянуть во времена рождения нашей планеты.
Темные лошадки
Казалось бы, астрономы, нанесшие на карту миллиарды галактик, уж Солнечную-то систему должны знать как свои пять пальцев. Но нет — и в ней хватает почти не изученных уголков. Например, это относится к троянским астероидам Юпитера. Это два роя небесных тел, кружащие вокруг Солнца по той же орбите, что и Юпитер, причем один из них — впереди планеты, а другой — позади нее. По традиции эти астероиды называют в честь воспетых Гомером героев троянской войны. При этом облако, плывущее по орбите впереди Юпитера, называют «лагерем греков», а позади него — «лагерем троянцев».
Существование этих двух облаков отнюдь не случайность. Дело в том, что в этих двух точках силы притяжения к Солнцу и Юпитеру так удачно накладываются друг на друга, что стабилизируют рой астероидов: он миллиарды лет движется по орбите на одном и том же расстоянии от гиганта, не расплываясь, не приближаясь к планете и не удаляясь от нее. К слову, такие же «волшебные» точки (они называются четвертой и пятой точками Лагранжа) есть на орбите любой планеты. И у некоторых из них, например, Марса и Нептуна, есть собственные троянские астероиды. Но им далеко до многотысячной свиты Юпитера: на 27 сентября этого года насчитывалось 6506 «греков» и 4006 «троянцев». И этот список, скорее всего, не полон.
Троянские астероиды Юпитера — в буквальном смысле темные лошадки. Они отражают лишь 4–5% падающего на них света, гораздо меньше, чем, например, черное дорожное покрытие. Добавим к этому их скромные размеры и огромную дистанцию до Солнца (они более чем впятеро дальше от светила, чем Земля). Неудивительно, что даже «Хаббл» не может разглядеть их в подробностях.
Между тем астрономы очень хотели бы на них посмотреть. Считается, что троянские астероиды Юпитера — это сохранившиеся до наших дней реликты времен зарождения Солнечной системы.
Рождение миров
История формирования Солнца и планет ясна ученым в общих чертах. Солнечная система образовалась из единого дискообразного облака газа и пыли, причем 99,9% массы этого диска ушло на формирование звезды. Под лучами молодого светила протопланетная пыль спекалась в гранулы, а те слипались в небольшие камни (хондриты). Большая часть хондритов так и осталась дрейфующим в пустоте «строительным мусором». Но некоторые под действием собственной гравитации собрались в более крупные тела, в том числе и зародыши планет — планетезимали. Не существует общепринятого критерия, «эмбрион» какого размера следует называть планетезималью, но обычно так называют тела размером от 1 до 100 км.
Планетезимали продолжали собирать своим притяжением окружающее вещество и расти. Некоторым из них повезло стать крупными астероидами или даже планетами. Счастливчики, доросшие до статуса планет, жестоко расправились с менее удачливыми собратьями: почти все планетезимали либо упали на планеты, либо были выброшены их гравитацией на далекие окраины Солнечной системы. Сегодня между Солнцем и планетами-гигантами кружит множество небольших астероидов (особенно их много между Юпитером и Марсом, но встречаются они и в районе Земли). Но по большей части это не остановившиеся в росте первозданные планетезимали, а обломки столкнувшихся друг с другом более крупных тел. Однако некоторые из космических зародышей все-таки уцелели в тихих гаванях. В их числе и объекты, сегодня известные как троянские астероиды Юпитера.
Такова картина в общих чертах, но у исследователей есть множество вопросов к деталям. Например, есть несколько конкурирующих теорий о том, как именно планетезимали собирались из более мелких фрагментов. Теперь «Люси» отправляется к этим реликтам, чтобы человечество могло заглянуть в прошлое Солнечной системы и узнать, как сформировалась Земля и другие планеты.
Свой интерес и у исследователей зарождения жизни. Есть подозрение, что темный цвет «греков» и «троянцев» связан с наличием органики. Космические зонды уже не раз находили органические вещества на астероидах и кометах, но у ученых нет единого мнения, когда, где и как образовалась эта органика. Обнаружить ее на реликтовых планетезималях было бы очень соблазнительно, ведь это означало бы, что органические вещества были в Солнечной системе с самого начала, еще до того, как образовалась Земля.
Космическая одиссея
«Люси» — это космический зонд массой 1500 кг и стоимостью $981 млн. Он вооружен несколькими фотокамерами, оптическим и инфракрасным спектрографами и радаром. С помощью этих приборов аппарат будет сканировать поверхность космических глыб, получать ее изображения, определять температуру и химический состав. Все это будет проделано на расстоянии — «Люси» не станет выходить на орбиту вокруг астероидов и тем более садиться на них. Планировать подобные операции с небесными телами, о которых почти ничего не известно, было бы попросту авантюрой. Аппарат пронесется мимо каждого из целевых объектов на скорости в несколько километров в секунду и с максимальным сближением примерно в тысячу километров. На подробное изучение каждого астероида у зонда будет лишь несколько часов.
Это очень скромная программа по сравнению с миссиями к околоземным астероидам, когда одно небесное тело годами тщательно сканируется с орбиты, а иногда с него даже берутся пробы грунта. Но потери в качестве «Люси» компенсирует количеством: зонд посетит шесть астероидов, а с учетом того, что два из них имеют спутники — восемь. Это будут пять «греков», два «троянца» и еще один астероид, который встретится аппарату на пути от Земли к Юпитеру. Кстати, хотя все «греки» и «троянцы» очень темные, они делятся на три класса благодаря тонким различиям в цвете (а значит, вероятно, и в составе). Аппарат посетит объекты всех трех типов, и ученые смогут сравнить их между собой.
Программа полета выглядит так. После старта аппарат некоторое время будет обращаться вокруг Солнца. 15 октября 2022 года и 12 декабря 2024-го он облетит вокруг Земли. Этот маневр нужен, чтобы гравитация нашей планеты отвесила зонду своеобразный пинок, отправив его в полет к Юпитеру. Поясним, что все межпланетные аппараты большую часть пути проделывают с выключенными двигателями, под действием притяжения Солнца или планет. К подобным ухищрениям приходится прибегать, поскольку запас топлива на борту крайне ограничен.
20 апреля 2025 года по пути к Юпитеру и его троянским астероидам «Люси» изучит астероид Дональд Джохансон, расположенный в главном астероидном поясе за орбитой Марса. К слову, этот объект назван в честь американского палеонтолога, нашедшего останки знаменитого австралопитека Люси. Эти кости многое рассказали об эволюционном прошлом человека. А теперь одноименный аппарат отправится на «раскопки» древнейшего прошлого самой Земли.
В 2027 году зонд наконец доберется до «лагеря греков». 12 августа он посетит астероид Эврибат, у которого совсем недавно был обнаружен спутник Квета. Планируя полет несколько лет назад, ученые не знали о существовании Кветы, так что новый объект стал приятным бонусом к программе миссии. А 15 сентября аппарат доберется до астероида Полимела. Исследование «греков» продолжится в 2028 году. 18 апреля состоится рандеву с астероидом Левк, а 11 ноября — с Орусом.
После этого зонду нужно будет попасть в «лагерь троянцев». Но у него не хватило бы топлива, чтобы сделать это на собственных двигателях. Поэтому аппарат отправится кружным путем: по орбите вокруг Солнца он вернется к Земле и 25 декабря 2030 года облетит ее. Гравитация нашей планеты снова направит его в район Юпитера, но уже в «троянский лагерь». 3 марта 2033-го он встретится с двумя астероидами — Патроклом и его спутником Менетием. Каждый из них имеет около 100 км в диаметре, и это крупнейшие из целей «Люси». После этого 12-летняя программа миссии закончится.
Между прочим, в крайней точке своей сложной траектории «Люси» удалится от Солнца на 800 млн км — это рекорд для аппаратов, работающих на солнечных батареях. До этого все зонды, забиравшиеся так далеко от светила, работали на энергии радиоактивного распада.