Galileo, Іда та Дактиль. Як науковці відкрили перший супутник астероїда

17 лютого 1994 року астрономка Енн Гарш вивчала фото астероїда Іда, отримані у серпні 1993 року космічним апаратом Galileo. На них вона побачила дещо незвичайне — це космічне тіло мало супутник. Так апарат, який від початку навіть не проєктувався для дослідження астероїдів, зробив одне з найважливіших відкриттів кінця ХХ століття.

Перший супутник астероїда

28 серпня 1993 року американський космічний апарат Galileo наблизився до астероїда (243) Іда на відстань 2410 км. Це було лише друге мале тіло Сонячної системи, до якого наблизився космічний апарат. Першим був астероїд Гаспра за два роки до того, і його відвідав той самий зонд.

Однак по-справжньому цей проліт став знаменитим 17 лютого 1994 року, коли дослідниця Енн Гарш побачила на фото, зроблених апаратом, незрозумілу цятку. Вона  виявилася першим відомим супутником астероїда.

До того науковці могли тільки сперечатися, чи можуть настільки невеликі об’єкти мати власні супутники, чи їхні гравітаційні сили для цього занадто слабкі. При цьому найрозповсюдженішою була думка, що таки ні. Однак відкриття  астероїда діаметром 1,6 км, якому дали назву Дактиль, різко все змінило, і в наступні десятиліття науковці дізналися, що подвійні та потрійні астероїди — абсолютно нормальне явище, й іноді у них зустрічаються значно неймовірніші конфігурації, ніж ті, що у великих планет.

Апарат Galileo

Найцікавіше в апараті Galileo те, що він від самого початку взагалі не призначався для дослідження астероїдів. Його історія почалася 1959 року, коли ще до польоту першої людини в космос американські інженери розробили програму дослідження Юпітера. Вона складалася з чотирьох етапів: політ апаратів у глибокому космосі, щоб перевірити життєздатність самої ідеї, близький проліт повз планету, виведення апарата на орбіту Юпітера та апарат, що спробує на  парашуті зануритися в його глибини.

На початку 1970-х років після успішного прольоту повз найбільшу планету Сонячної системи апаратів Pioneer 10 та Pioneer 11 стало зрозуміло, що самі по собі міжпланетні місії цілком реальні й потрібно посилати спеціалізовану прольотну місію зі складною апаратурою. Це завдання доручили апаратам Voyager 1 та Voyager 2.

Водночас почалися розмови про те, що треба переходити до запуску орбітального спостерігача й атмосферного зонда. І одразу була висловлена ідея, що треба об’єднати дві місії в одну, оскільки такий підхід добре себе показав під час реалізації програми Mariner. Тобто після виходу на орбіту від апарата мав відділятися зонд, який входив в атмосферу планети й спускався на парашуті.

Оскільки Юпітер не має твердої поверхні, то здійснювати посадку ніхто не збирався, просто апарат мав існувати та збирати наукові дані настільки довго, наскільки це було можливо, адже весь цей час зазнавав значного впливу температури та тиску.

Одразу було визначено, що апарат будуватимуть на основі все тієї ж платформи Mariner, яка так добре себе зарекомендувала. Однак на практиці проєктування не розпочиналося до самого кінця 1970-х, поки Voyager 1 та Voyager 2 не досягли Юпітера.

Але потім зонд все ж почали будувати й невдовзі дали йому ім’я Galileo на честь видатного італійського астронома Галілео Галілея. Апарат був справді великим: заввишки 5 м та масою 2223 кг, з яких 339 припадали на атмосферний зонд і 925 — на  паливо.

Galileo ніс на собі 11 наукових приладів включно з приєднаною до телескопа камерою, спектрографами інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання, фотополяриметра, детекторів високоенергетичних частинок тощо. Усе це призначалося для першого в історії дослідження газового гіганта.

Для виведення на міжпланетну траєкторію такого великого об’єкта розробили велетенський розгінний блок Inertial Upper Stage (IUS), який у початковому варіанті був триступеневим. Його особливістю була можливість використовувати його не лише як верхній ступінь важкої ракети, а й доправляти на орбіту у вантажному відсіку космічного корабля Space Shuttle, а потім вручну встановлювати для запуску. Це мало підвищити надійність усієї операції. Саме так планували запускати й Galileo.

При цьому за початковим планом його шлях до Юпітера мав бути достатньо швидким. Апарат мав за пів року долетіли до Марса, здійснити біля нього гравітаційний маневр, розігнатися і попрямувати далі до гігантської планети.

Відкладення запуску

Спочатку планувалося, що Galileo вирушить у космос ще 1982 року. Однак запуски шатлів відбувалися не так швидко, як хотілося, а триступеневий варіант IUS виявився занадто дорогим і великим. Його практичне застосування разом із багаторазовим космопланом могло принести значно більше проблем, ніж переваг.

Інженери почали думати над тим, чим його замінити. Запуск перенесли на 1984 рік, а підтримка проєкту почала знижуватися. В якийсь момент фахівці схилялися до думки зберегти маршрут через Марс, але запустити орбітальний та атмосферний зонди окремо з різницею у місяць.

Однак усі розуміли, що таке рішення підвищує аварійну небезпеку. Тому в процесі обговорення повернулися до ідеї запуску з борту Space Shuttle як одного цілого з гравітаційним маневром біля Марсу, тільки тепер для цього мали використати розгінний блок Centaur.

Однак проєкт продовжували критикувати за високу вартість, складність і досить обмежені на той час наукові результати. Тому вченим спала на думку ідея ще під час польоту через Головний пояс дослідити один з астероїдів, що обертаються там. Тим більше, що обладнання на борту цілком для цього підходило.

Таким астероїдом стала Амфітрита — величезна кам’яна брила, що має розміри 223 х 212 х 193 км. А її альтернативою — Ї Цін та Брітта. При цьому, попри те, що у другому варіанті було можливо дослідити аж дві цілі, пріоритет віддавався одній великій.

Причина полягала в тому, що на початку 1980-х років у NASA все ще вважали, що близьких прольотів повз астероїди, навпаки, варто уникати. Існувало побоювання, що простір навколо них заповнений пилом і дрібними камінцями, які можуть пошкодити апарат.

Саме тому навіть у планах дослідження цих об’єктів під час прольоту Galileo припускалося, що він не буде підходити до них ближче, ніж на кілька тисяч кілометрів. А значить, на астероїдах діаметром у кілька кілометрів він просто нічого не зможе розгледіти.

З урахуванням усього цього був складений новий план, згідно з яким Galileo мали запустити під час місії STS-61-G 20 травня 1986 року з борту шатла Atlantis. Проте життя не дало змоги втілити ці плани. 28 січня інший «човник» Challenger вибухнув під час старту, і всю програму багаторазових польотів припинили.

Інженери переглянули всі можливі протоколи безпеки й дійшли висновку, що запускати з борту шатла блок Centaur-G просто небезпечно. А розганяти Galileo у бік Марса, щоб потім досягти Юпітера, мав саме він.

Розробники вкотре почали переглядати способи досягти Юпітера. Вони повернулися до ідеї використання  IUS, який на той момент вже літав у космос у двоступеневому варіанті. Для розгону Galileo він був занадто слабкий і тому у NASA повністю змінили траєкторію його польоту. Замість Марса апарат мав летіти до Венери, зробити біля неї гравітаційний маневр, пролетіти відносно недалеко від Сонця, потім двічі повернутися до Землі й уже від неї прямувати до Юпітера.

Усе це подовжувало тривалість  польоту до 6 років, але все ж дозволяло апарату безпечно розігнатися до потрібної швидкості. Проте і на цьому його проблеми на шляху до космосу не закінчилися.

У середині 1970-х, коли розробка Galileo тільки розпочиналася, ідея використати для його живлення радіоізотопний термоелектрогенератор була цілком нормальною. Однак у 1978-му на території Канади впав радянський супутник із таким самим пристроєм і забруднив радіацією чималу територію. У 1979 році сталася аварія на АЕС Three Mile Island, тож ще у першій половині 1980-х почала зростати радіофобія. А після аварії на Чорнобильській АЕС у квітні 1986-го (усього через три місяці після катастрофи Challenger) вона досягла апогею. І багатьма людьми Galileo почав сприйматися не як провідне досягнення науки, а як небезпечна банка з радіацією.

Тож протести екоактивістів зовсім не прискорили його відправлення в космос. Шатл Atlantis із ним на борту стартував тільки 18 жовтня 1989-го, а 19 жовтня зонд нарешті увімкнув головний двигун IUS і полетів до Венери.

На шляху до астероїдів

9 лютого 1990 року Galileo пролетів на відстані у 16 106 км від Венери. На той момент планета вже була непогано досліджена іншими космічними апаратами, однак інфрачервоні камери все ж  змогли розгледіти частину нічної сторони планети під товстим шаром хмар, що дозволило скласти карту її рельєфу.

Крім того, апарат дослідив ударну хвилю, що виникає в напрямку руху планети орбітою через взаємодію магнітного поля із частинками сонячного вітру, і дізналися, що вона надзвичайно слабка, тож радіація досягає газової оболонки планети. А в самій атмосфері були зафіксовані розряди блискавок.

Після цього 11 квітня мала відбутися одна з найвідповідальніших подій польоту — розкриття головної антени. Ця гігантська конструкція мала  навіть на відстані у кілька астрономічних одиниць забезпечувати передачу даних зі швидкістю 134 тис. біт/с. Але проєктували її ще тоді, коли думали, що апарат летітиме повз Марс.

А коли замість цього траєкторію проклали повз Венеру, то виникла необхідність вберегти її від підсиленого сонячного випромінювання. Для цього її вирішили закрити невеликим щитом і не розкривати, поки апарат не пролетить повз Венеру. Задачу зв’язку поклали на невелику бокову антену і в перші дні польоту вона дозволяла підтримувати непогану швидкість у 1200 біт/с, але потім ця величина впала до 40 біт/с.

Отже, на 11 квітня вся команда чекала з великим нетерпінням, але головну антену Galileo ані тоді, ані пізніше так розкрити й не вдалося. Тож надалі довелося тримати зв’язок через додаткову, з її неймовірно повільною передачею даних, і це вплинуло на всі наступні дослідження.

8 грудня 1990 року Galileo знову пролетів поруч із Землею і здійснив гравітаційний маневр. Потім він зробив один оберт навколо Сонця і знову повторив зближення з планетою 8 грудня 1992-го, після чого опинився на траєкторії, яка привела його до Юпітера.

Під час зближень апарат також виконував наукові дослідження: зокрема, вивчав магнітосферу Землі та спостерігав за висотними мезосферними хмарами, поява яких свідчила про процеси руйнування озонового шару. Крім того, вчені перевірили й підтвердили, що з космічного апарата, який пролітає повз Землю, можна виявити ознаки життя на ній. Galileo зафіксував поглинання атмосферних газів, яке відповідало їхньому поглинанню земними рослинами.

Гаспра

29 жовтня 1991 року Galileo дістався проміжної цілі своєї подорожі — астероїда Гаспри. Цей космічний камінь розміром 18,2 × 10,5 × 8,9 км відкрили ще 1916 року. Його назвали на честь селища в Криму. Коли після 1986 року американські фахівці переглядали план польоту апарата, вдале розташування та відносно великий розмір Гаспри зробили її першою астероїдною ціллю, яку космічний апарат дослідив зблизька.

Гаспра має період обертання у 3,29 земного року. Афелій її орбіти розташований на відстані 2,6 а. о., а перигелій — на відстані 1,82 а. о. від Сонця. Цей астероїд належить до типу силікатних.

У жовтні 1991 року Galileo наблизився до нього на мінімальну відстань у 1600 км. Загалом він зміг зробити 57 фотографій Гаспри, що, з огляду на повільну передачу інформації та швидкість польоту близько 8 км/с, було зовсім непоганим результатом. Найкраще з тих фото мало роздільну здатність 54 метри на піксель.

Іда та Дактиль

Нарешті, 28 серпня 1993 року, майже через два роки після прольоту Гаспри й через чотири роки після старту, Galileo наблизився до Іди. Фахівці до останнього не були впевнені, що апарат зможе здійснити цей маневр. Лише 26 серпня, переконавшись, що палива вистачить для подальшого виходу на орбіту Юпітера, вони дали команду на корекцію курсу, яка й привела Galileo до Іди.

Іду, астероїд 243, відкрили ще раніше, ніж Гаспру, — 1884 року. Її назвали на честь німфи з грецької міфології. На момент, коли Іду затвердили як ще одну ціль польоту зонда, вже було відомо, що вона має розміри 59,8 × 25,4 × 18,6 км. Тобто за мірками Головного поясу астероїдів це був не такий уже й дрібний об’єкт.

Обертається Іда майже круговою орбітою з афелієм 2,98 а. о. і перигелієм 2,74 а. о. Орбітальний період складає 1767 днів. Спектрографічні дослідження показують, що це — силікатний астероїд. Galileo зближався з нею на величезній відносній швидкості у 12,4 км/с. Попри це, вчені були готові до події, й фотографування відбувалося з відстані 240 350 км і до максимального зближення. Завдяки цьому вдалося як слід розгледіти 95 % поверхні астероїда.

Науковці вперше отримали можливість провести геологічні дослідження такого тіла й з’ясували, що хімічний та мінералогічний склад Іди надзвичайно схожий на звичайні хондритові метеорити, які у великій кількості падають на Землю. Це підтвердило припущення, що великі й малі кам’яні тіла в космосі мають спільне походження.

Також визначили середню густину астероїда і встановили, що він вкритий шаром реголіту — уламків та пилу, подібних до тих, що вкривають Місяць. Вони утворилися внаслідок численних зіткнень з іншими небесними тілами.

Сліди зіткнень також були знайдені на поверхні Іди. Вона виявилася одним із найбільш щільно вкритих кратерами об’єктів Сонячної системи. Найбільший із них має діаметр близько 12 км. 

Крім того, науковці встановили, що сонячна радіація впливає на поверхню. Старіші її ділянки виявилися червонішими за решту. Загалом дослідження Galileo показало, що астероїди мають значно цікавішу історію, ніж вважалося до того.

Через все ті ж проблеми з антеною передавання зображень Іди тривало надзвичайно повільно і завершилося тільки у лютому 1994 року. Саме тоді було зроблене головне відкриття: в Іди виявили супутник, який назвали Дактилем, на честь міфічного народу з грецької міфології.

Дактиль має розміри 1200 х 1400 х 1600 м. Він дуже схожий на Іду за своїм альбедо та кольором і, як і вона, щільно вкритий кратерами. Вважається, що він утворився разом із нею в результаті розпаду якогось великого тіла. 

А ось що досі залишається невідомим, так це те, яку орбіту має Дактиль. Річ у тім, що для її визначення потрібно чимало спостережень, а у вчених досі є лише кілька знімків. За ними вдалося лише приблизно встановити, що радіус Дактиля становить близько 90 км.

Уся історія польоту Galileo розтягнулася на два десятиліття й фактично відображає еволюцію наших уявлень про астероїди. Задуманий як апарат, який мав уникати цих нібито не надто цікавих, але небезпечних об’єктів, зонд зрештою став тим, що дозволило науковцям зазирнути у світ небесних каменів і побачити, наскільки вони неймовірні.

Але подорож Galileo на тому не завершилась. Залишивши астероїди, він продовжив політ до своєї головної мети — Юпітера. Йому вдалося вийти на орбіту, скинути в атмосферу зонд і зібрати чимало цікавих результатів. Але все це — зовсім інша історія.