Stardust был 385-килограммовым роботизированным космическим зондом, запущенным NASA 7 февраля 1999 года . Его основной задачей был сбор образцов пыли из комы кометы Wild 2 , а также образцов космической пыли , и возвращение их на Землю для анализа. Это была перваяв своем роде миссия по возвращению образцов . По пути к комете Wild 2 он также пролетел мимо и изучил астероид 5535 Annefrank . Основная миссия была успешно завершена 15 января 2006 года, когда капсула с образцами вернулась на Землю. [10]
Расширение миссии под кодовым названием NExT завершилось в феврале 2011 года, когда Stardust перехватил комету Темпеля 1 , небольшое тело Солнечной системы, которое ранее посетил Deep Impact в 2005 году . Stardust прекратил свою деятельность в марте 2011 года.
14 августа 2014 года ученые объявили об идентификации возможных частиц межзвездной пыли в капсуле Stardust, возвращенной на Землю в 2006 году. [11] [12] [13] [14]
Начиная с 1980-х годов ученые начали искать специальную миссию по изучению кометы. В начале 1990-х годов несколько миссий по изучению кометы Галлея стали первыми успешными миссиями, вернувшими данные крупным планом. Однако американская кометная миссия Comet Rendezvous Asteroid Flyby была отменена по бюджетным причинам. В середине 1990-х годов была оказана дополнительная поддержка более дешевой миссии класса Discovery , которая должна была изучить комету Wild 2 в 2004 году. [1]
Stardust был выбран на конкурсной основе осенью 1995 года в качестве миссии NASA Discovery Program с низкой стоимостью и четко сфокусированными научными целями. [1] : 5 Строительство Stardust началось в 1996 году и подпадало под максимальное ограничение загрязнения, уровень планетарной защиты 5. Однако риск межпланетного загрязнения инопланетной жизнью был оценен как низкий, [15] поскольку удары частиц со скоростью более 450 метров в секунду (1000 миль в час), даже в аэрогель , считались смертельными для любого известного микроорганизма. [1] : 22–23
Комета Wild 2 была выбрана в качестве основной цели миссии из-за редкой возможности наблюдать долгопериодическую комету, которая приблизилась к Солнцу . С тех пор комета стала короткопериодической после события 1974 года, когда на орбиту Wild 2 повлияло гравитационное притяжение Юпитера , сместив орбиту внутрь, ближе к Солнцу. При планировании миссии ожидалось, что большая часть исходного материала, из которого образовалась комета, все еще сохранится. [1] : 5
Основные научные цели миссии включали: [7]
Космический корабль был спроектирован, построен и эксплуатировался компанией Lockheed Martin Astronautics в качестве миссии класса Discovery в Денвере, штат Колорадо. JPL обеспечивала управление миссией для отдела NASA по операциям миссии. Главным исследователем миссии был доктор Дональд Браунли из Вашингтонского университета. [1] : 5
Автобус космического корабля имел размеры 1,7 метра (5 футов 7 дюймов) в длину и 0,66 метра (2 фута 2 дюйма) в ширину, дизайн был адаптирован из автобуса для дальнего космоса SpaceProbe, разработанного Lockheed Martin Astronautics . Автобус был в основном построен из панелей из графитового волокна с алюминиевой сотовой опорной конструкцией внизу; весь космический корабль был покрыт полицианатом, листовым материалом Kapton для дополнительной защиты. Чтобы сохранить низкие затраты, космический корабль включил в себя множество конструкций и технологий, использовавшихся в прошлых миссиях или ранее разработанных для будущих миссий Инициативой по технологиям малых космических аппаратов (SSTI). Космический корабль имел пять научных инструментов для сбора данных, включая поддон для сбора образцов Stardust , который был доставлен на Землю для анализа. [16]
Космический корабль был стабилизирован по трем осям восемью 4,41 Н гидразиновыми монотопливными двигателями и восемью 1 Н двигателями для поддержания ориентации ; необходимые незначительные маневры движения также выполнялись этими двигателями. Космический корабль был запущен с 80 килограммами топлива. Информация для позиционирования космического корабля была предоставлена звездной камерой, использующей FSW для определения ориентации (Stellar Compass), инерциальным измерительным блоком и двумя датчиками Солнца . [1] : 30–31 [16] Программное обеспечение Stellar Compass было предоставлено Intelligent Decisions, Inc.
Для связи с Deep Space Network космический аппарат передавал данные в диапазоне X , используя 0,6-метровую (2 фута 0 дюймов) параболическую антенну с высоким коэффициентом усиления , антенну со средним коэффициентом усиления (MGA) и антенну с низким коэффициентом усиления (LGA) в зависимости от фазы миссии, а также 15-ваттный транспондер, изначально предназначенный для космического аппарата «Кассини» . [1] : 32 [16]
Зонд питался от двух солнечных батарей , обеспечивая в среднем 330 Вт мощности. Батареи также включали щиты Whipple для защиты деликатных поверхностей от потенциально опасной кометной пыли, пока космический аппарат находился в коме Wild 2. Конструкция солнечной батареи была разработана в первую очередь на основе руководящих принципов разработки космических аппаратов Small Spacecraft Technology Initiative (SSTI). Батареи обеспечивали уникальный метод переключения цепочек с последовательного на параллельное соединение в зависимости от расстояния от Солнца. Также была включена одна никель-водородная ( NiH 2 ) батарея для обеспечения космического аппарата питанием, когда солнечные батареи получали слишком мало солнечного света. [1] : 31 [16]
Компьютер на космическом корабле работал с использованием радиационно-устойчивой 32-битной процессорной карты RAD6000 . Для хранения данных , когда космический корабль не мог связаться с Землей, процессорная карта могла хранить 128 мегабайт , 20% из которых было занято программным обеспечением системы полета. Системное программное обеспечение представляет собой форму VxWorks , встроенной операционной системы , разработанной Wind River Systems . [1] : 31 [16]
Частицы комет и межзвездной пыли собираются в аэрогель сверхнизкой плотности . Поддон для сбора размером с теннисную ракетку содержал девяносто блоков аэрогеля, обеспечивая более 1000 квадратных сантиметров площади поверхности для улавливания частиц кометной и межзвездной пыли.
Чтобы собрать частицы, не повреждая их, используется твердое вещество на основе кремния с пористой, губчатой структурой, в которой 99,8 процента объема составляет пустое пространство. Аэрогель имеет плотность 1 ⁄ 1000 плотности стекла , другого твердого вещества на основе кремния, с которым его можно сравнить. Когда частица попадает в аэрогель, она погружается в материал, создавая длинный след, до 200 раз превышающий длину зерна. Аэрогель был упакован в алюминиевую сетку и помещен в капсулу возврата образца (SRC), которая должна была быть выпущена из космического корабля, когда он пролетал мимо Земли в 2006 году.
Для анализа аэрогеля на предмет наличия межзвездной пыли потребуется миллион фотографий для получения изображения всех отобранных зерен. Изображения будут распространены среди пользователей домашних компьютеров для помощи в изучении данных с помощью программы под названием Stardust@home . В апреле 2014 года NASA сообщило, что им удалось извлечь из аэрогеля семь частиц межзвездной пыли. [27]
Stardust был запущен с двумя наборами идентичных пар квадратных 10,16-сантиметровых (4 дюйма) кремниевых пластин . На каждой паре были выгравированы имена более миллиона людей, которые приняли участие в программе по работе с общественностью, заполнив интернет-формы, доступные в конце 1997 и середине 1998 года. Одна пара микрочипов была размещена на космическом корабле, а другая была прикреплена к капсуле для возврата образцов. [1] : 24
Stardust был запущен в 21:04:15 UTC 7 февраля 1999 года Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства с космодрома 17A на станции ВВС на мысе Канаверал во Флориде на борту ракеты-носителя Delta II 7426. Полная последовательность включения длилась 27 минут, выводя космический корабль на гелиоцентрическую орбиту, которая вывела бы космический корабль вокруг Солнца и мимо Земли для гравитационного маневра в 2001 году, чтобы достичь астероида 5535 Аннефранк в 2002 году и кометы Уайлд 2 в 2004 году на низкой скорости пролета 6,1 км/с. В 2004 году космический корабль выполнил коррекцию курса, которая позволила бы ему пролететь мимо Земли во второй раз в 2006 году, чтобы выпустить капсулу для возврата образцов для посадки в Юте на соляных равнинах Бонневилля . [1] : 14–22 [7]
Во время второго столкновения с Землей капсула возврата образцов была отсоединена 15 января 2006 года. [7] Сразу после этого Stardust был переведен в «маневр отклонения», чтобы избежать входа в атмосферу вместе с капсулой. После маневра на борту оставалось менее двадцати килограммов топлива. [7] 29 января 2006 года космический корабль был переведен в режим гибернации, при этом активными были только солнечные панели и приемник, на трехлетнюю гелиоцентрическую орбиту, которая должна была вернуть его в окрестности Земли 14 января 2009 года. [7] [28]
Последующее продление миссии было одобрено 3 июля 2007 года, чтобы вернуть космический корабль к полной работоспособности для пролета кометы Темпеля 1 в 2011 году. Продление миссии стало первым повторным посещением небольшого тела Солнечной системы и использованием оставшегося топлива, что означало окончание срока службы космического корабля. [29]
В 04:50:20 UTC 2 ноября 2002 года Stardust столкнулся с астероидом 5535 Annefrank на расстоянии 3079 км (1913 миль). [7] Угол солнечной фазы в течение периода наблюдений варьировался от 130 до 47 градусов. Это столкновение использовалось в первую очередь как инженерное испытание космического корабля и наземных операций в рамках подготовки к столкновению с кометой Wild 2 в 2003 году. [7]
В 19:21:28 UTC 2 января 2004 года Stardust столкнулся с кометой Wild 2 [34] на солнечной стороне с относительной скоростью 6,1 км/с на расстоянии 237 км (147 миль). [7] Первоначально планировалось, что расстояние встречи составит 150 км (93 мили), но оно было изменено после того, как комиссия по проверке безопасности увеличила расстояние минимального сближения, чтобы свести к минимуму вероятность катастрофических столкновений с пылью. [7]
Относительная скорость между кометой и космическим аппаратом была такова, что комета фактически обогнала космический аппарат сзади, когда они путешествовали вокруг Солнца. Во время встречи космический аппарат находился на солнечной стороне ядра, приближаясь под углом солнечной фазы 70 градусов, достигая минимального угла 3 градуса вблизи наибольшего сближения и удаляясь под углом фазы 110 градусов. [7] Во время пролета использовалось программное обеспечение AutoNav. [35] : 11
Во время пролета космический аппарат развернул пластину для сбора образцов, чтобы собрать образцы пыли из комы , и сделал подробные снимки ледяного ядра . [36]
19 марта 2006 года ученые Stardust объявили, что они рассматривают возможность перенаправления космического корабля на вторичную миссию по съемке кометы Темпеля 1. Ранее комета была целью миссии Deep Impact в 2005 году, отправившей ударник на поверхность. Возможность такого расширения может быть жизненно важной для сбора изображений ударного кратера, которые Deep Impact не удалось запечатлеть из-за пыли от удара, заслонившей поверхность.
3 июля 2007 года продление миссии было одобрено и переименовано в New Exploration of Tempel 1 (NExT). Это исследование должно было предоставить первый взгляд на изменения в ядре кометы, произошедшие после близкого сближения с Солнцем. NExT также расширит картографирование ядра кометы Tempel 1, сделав его наиболее изученным на сегодняшний день. Это картографирование поможет решить основные вопросы геологии ядра кометы. Ожидалось, что миссия пролета израсходует почти все оставшееся топливо, что станет сигналом об окончании работоспособности космического корабля. [29] Программное обеспечение AutoNav (для автономной навигации) будет контролировать космический корабль в течение 30 минут до встречи. [37]
Цели миссии включали следующее: [37]
В 04:39:10 UTC 15 февраля 2011 года Stardust-NExT столкнулся с Tempel 1 на расстоянии 181 км (112 миль). [8] [9] По оценкам, во время встречи было получено 72 изображения. Они показали изменения в рельефе и выявили части кометы, которые никогда не видел Deep Impact . [38] Место удара от Deep Impact также было замечено, хотя оно было едва заметно из-за материала, осевшего обратно в кратер. [39]
24 марта 2011 года примерно в 23:00 UTC Stardust осуществил сжигание, чтобы израсходовать оставшееся топливо. [33] У космического корабля осталось мало топлива, и ученые надеялись, что собранные данные помогут в разработке более точной системы оценки уровня топлива на космических кораблях. После того, как данные были собраны, дальнейшее нацеливание антенны стало невозможным, и передатчик был выключен. Космический корабль отправил подтверждение с расстояния примерно в 312 миллионов км (194 миллиона миль) в космосе. [5]
15 января 2006 года в 05:57 UTC капсула возврата образцов успешно отделилась от Stardust . SRC вошла в атмосферу Земли в 09:57 UTC [40] со скоростью 12,9 км/с, что является самой высокой скоростью входа в атмосферу Земли, когда-либо достигнутой искусственным объектом. [41] Капсула следовала резкому профилю входа в атмосферу, перейдя от скорости 36 Маха до дозвуковой скорости в течение 110 секунд. [42] [ проверка не удалась ] Пиковое замедление составило 34 g , [43] возникло через 40 секунд после входа в атмосферу на высоте 55 км над Спринг-Крик, штат Невада . [42] Теплозащитный экран из углеродного аблятора с фенольной пропиткой (PICA) , произведенный Fiber Materials Inc., достиг температуры более 2900 °C во время этого крутого входа в атмосферу. [44] Затем капсула спустилась на парашюте на землю и приземлилась в 10:12 UTC на испытательном и учебном полигоне в Юте , недалеко от испытательного полигона армии США Дагвей . [6] [45] Затем капсула была перевезена военным самолетом из Юты на авиабазу Эллингтон в Хьюстоне , штат Техас , а затем переправлена по дороге в необъявленном конвое в хранилище планетарных материалов в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне для начала анализа. [7] [46]
Контейнер с образцом был доставлен в чистую комнату с фактором чистоты в 100 раз выше, чем в операционной больничной палаты, чтобы гарантировать, что межзвездная и кометная пыль не была загрязнена. [47] Предварительные оценки предполагали, что в аэрогелевом коллекторе было внедрено по меньшей мере миллион микроскопических пылинок . Было обнаружено, что десять частиц имели размер не менее 100 микрометров (0,1 мм), а самая большая — приблизительно 1000 микрометров (1 мм). По оценкам, на коллекторе образцов было также обнаружено 45 ударов межзвездной пыли , которые находились на задней стороне кометного пылевого коллектора. Пылинки наблюдаются и анализируются командой волонтеров в рамках гражданского научного проекта Stardust@Home .
Общая масса собранного образца составила приблизительно 1 мг. [48]
В декабре 2006 года в научном журнале Science было опубликовано семь статей , в которых обсуждались начальные детали анализа образцов. Среди результатов: широкий спектр органических соединений , включая два, которые содержат биологически пригодный азот ; местные алифатические углеводороды с более длинными цепями, чем те, которые наблюдаются в диффузной межзвездной среде ; обильные аморфные силикаты в дополнение к кристаллическим силикатам, таким как оливин и пироксен , что доказывает согласованность со смешиванием Солнечной системы и межзвездного вещества, ранее выведенную спектроскопически из наземных наблюдений; [49] было обнаружено отсутствие водных силикатов и карбонатных минералов, что указывает на отсутствие водной обработки кометной пыли; ограниченное количество чистого углерода ( CHON ) [ необходимо разъяснение ] также было обнаружено в возвращенных образцах; метиламин и этиламин были обнаружены в аэрогеле, но не были связаны с конкретными частицами.
В 2010 году доктор Эндрю Вестфаль объявил, что волонтер Stardust@home Брюс Хадсон нашел след (обозначенный как «I1043,1,30») среди множества изображений аэрогеля, который может содержать частицу межзвездной пыли. [50] Программа позволяет добровольцам распознавать и называть любые открытия. Хадсон назвал свое открытие «Орион». [51]
В апреле 2011 года ученые из Университета Аризоны обнаружили доказательства наличия жидкой воды в комете Wild 2. Они обнаружили минералы сульфида железа и меди , которые должны были образоваться в присутствии воды. Открытие разрушает существующую парадигму, согласно которой кометы никогда не нагреваются достаточно, чтобы растопить свою ледяную массу. [52] Весной 2014 года было объявлено об извлечении частиц межзвездной пыли из миссии Stardust программы Discovery. [53]
Образцы Stardust в настоящее время доступны для идентификации всем желающим после завершения обучения на веб-странице Беркли. [54]
Возвращаемая капсула в настоящее время находится в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия. Она начала экспонироваться там 1 октября 2008 года, в 50-ю годовщину основания НАСА. Возвращаемая капсула демонстрируется в режиме сбора образцов, рядом с образцом аэрогеля, используемого для сбора образцов. [55]
Образцы комет показывают, что внешние области ранней Солнечной системы не были изолированы и не были убежищем, где межзвездные материалы могли бы обычно выживать. [56] Данные предполагают, что высокотемпературный внутренний материал Солнечной системы образовался и впоследствии был перенесен в пояс Койпера . [57]
В 2009 году NASA объявило , что ученые впервые идентифицировали один из основных химических строительных блоков жизни в комете: глицин , аминокислота, была обнаружена в материале, выброшенном кометой Wild 2 в 2004 году и захваченном зондом Stardust . Глицин уже обнаруживался в метеоритах и ранее, а также есть наблюдения в межзвездных газовых облаках, но находка Stardust описывается как первая в кометном материале. Изотопный анализ показывает, что поздняя тяжелая бомбардировка включала кометные удары после объединения Земли, но до того, как развилась жизнь. [58] Карл Пилчер, возглавляющий Институт астробиологии NASA, прокомментировал, что «открытие глицина в комете подтверждает идею о том, что основные строительные блоки жизни распространены в космосе, и усиливает аргумент о том, что жизнь во Вселенной может быть обычным явлением, а не редким». [59]
