«Звездная пыль» — 385-килограммовый роботизированный космический зонд , запущенный НАСА 7 февраля 1999 года. Его основная задача заключалась в сборе образцов пыли из комы кометы Уайлд - 2 , а также образцов космической пыли и возвращении их на Землю для анализа. Это была перваяв своем роде миссия по возвращению образцов . По пути к комете Уайлд-2 он также пролетел и изучил астероид 5535 Аннефранк . Основная миссия была успешно завершена 15 января 2006 года, когда капсула для возврата образцов вернулась на Землю. [10]
Расширение миссии под кодовым названием NExT завершилось в феврале 2011 года, когда Stardust перехватила комету Темпель 1 , небольшое тело Солнечной системы, которое ранее посетил Deep Impact в 2005 году . Stardust прекратила свою деятельность в марте 2011 года.
14 августа 2014 года ученые объявили об идентификации возможных частиц межзвездной пыли из капсулы «Звездная пыль» , вернувшейся на Землю в 2006 году. [11] [12] [13] [14]
Начиная с 1980-х годов ученые начали искать специальную миссию для изучения кометы. В начале 1990-х годов несколько миссий по изучению кометы Галлея стали первыми успешными миссиями, получившими данные крупным планом. Однако кометная миссия США Comet Rendezvous Asteroid Flyby была отменена по бюджетным причинам. В середине 1990-х годов была оказана дополнительная поддержка более дешевой миссии класса «Дискавери» , которая должна была изучить комету Уайлд-2 в 2004 году. [1]
Осенью 1995 года «Звездная пыль» была выбрана на конкурсе в качестве недорогой миссии программы открытий НАСА с узкоспециализированными научными целями. [1] : 5 Строительство «Звездной пыли» началось в 1996 году и подвергалось максимальному ограничению загрязнения — планетарной защите 5-го уровня . Однако риск межпланетного заражения 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 Уайлд-2 была выбрана в качестве основной цели миссии из-за редкой возможности наблюдать комету с длительным периодом существования, которая отважилась приблизиться к Солнцу . С тех пор комета стала короткопериодической после события 1974 года, когда на орбиту Уайлда 2 повлияло гравитационное притяжение Юпитера , сместившее орбиту внутрь, ближе к Солнцу. При планировании миссии предполагалось, что большая часть исходного материала, из которого образовалась комета, все же сохранится. [1] : 5
Основные научные цели миссии включали: [7]
Космический корабль был спроектирован, построен и эксплуатировался компанией Lockheed Martin Astronautics как миссия класса Discovery в Денвере, штат Колорадо. Лаборатория реактивного движения обеспечивала управление миссиями для подразделения НАСА по операциям миссий. Главным исследователем миссии был доктор Дональд Браунли из Вашингтонского университета. [1] : 5
Автобус космического корабля имел длину 1,7 метра (5 футов 7 дюймов) и ширину 0,66 метра (2 фута 2 дюйма). Это конструкция, заимствованная из космического автобуса SpaceProbe, разработанного Lockheed Martin Astronautics . Автобус в основном был построен из панелей из графитового волокна с алюминиевой сотовой несущей конструкцией внизу; Весь космический корабль был покрыт полицианатной и каптоновой пленкой для дополнительной защиты. Чтобы сохранить низкую стоимость, в космическом корабле было использовано множество конструкций и технологий, использованных в прошлых миссиях или ранее разработанных для будущих миссий Инициативой по технологиям малых космических аппаратов (SSTI). На космическом корабле было пять научных инструментов для сбора данных, в том числе лоток для сбора образцов звездной пыли , который был доставлен обратно на Землю для анализа. [16]
Космический корабль имел трехосную стабилизацию с помощью восьми гидразиновых монотопливных двигателей 4,41 Н и восьми двигателей 1 Н для поддержания ориентации (ориентации); необходимые незначительные маневры движения также выполнялись с помощью этих двигателей. Космический корабль был запущен с 80 килограммами топлива. Информация для позиционирования космического корабля предоставлялась звездной камерой с использованием 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 сетью дальнего космоса космический корабль передавал данные в X-диапазоне , используя параболическую антенну длиной 0,6 метра (2 фута 0 дюймов) , антенну со средним коэффициентом усиления (MGA) и антенну с низким коэффициентом усиления (LGA) в зависимости от на этапе миссии, а также конструкцию транспондера мощностью 15 Вт, первоначально предназначенную для космического корабля Кассини . [1] : 32 [16]
Зонд питался от двух солнечных батарей , обеспечивающих в среднем 330 Вт мощности. В массивы также входили щиты Уиппла для защиты деликатных поверхностей от потенциально разрушительной кометной пыли, пока космический корабль находился в коме в Wild 2. Конструкция солнечной батареи была разработана в первую очередь на основе рекомендаций по разработке космических кораблей Инициативы по технологиям малых космических аппаратов (SSTI). Массивы обеспечили уникальный метод переключения струн с последовательного на параллельное в зависимости от расстояния от Солнца. Также была включена единственная никель-водородная ( NiH 2 ) батарея для обеспечения космического корабля энергией, когда солнечные батареи получали слишком мало солнечного света. [1] : 31 [16]
Компьютер на космическом корабле работал на радиационно-стойкой 32-битной процессорной карте 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 разновидность VxWorks , встроенной операционной системы, разработанной Wind River Systems . [1] : 31 [16]
Кометные и межзвездные частицы собраны в аэрогеле сверхнизкой плотности . Лоток -приемник размером с теннисную ракетку содержал девяносто блоков аэрогеля, что обеспечивало площадь поверхности более 1000 квадратных сантиметров для улавливания кометных и межзвездных пылевых частиц.
Чтобы собрать частицы, не повреждая их, используется твердое вещество на основе кремния с пористой губчатой структурой, в котором 99,8 процентов объема составляет пустое пространство. Аэрогель имеет плотность в 1/1000 плотности стекла , еще одного твердого вещества на основе кремния, с которым его можно сравнить. Когда частица попадает в аэрогель, она погружается в материал, образуя длинный след, в 200 раз превышающий длину зерна. Аэрогель был упакован в алюминиевую решетку и помещен в капсулу возврата образца (SRC), которая должна была быть выпущена из космического корабля, когда он пролетел мимо Земли в 2006 году.
Чтобы проанализировать аэрогель на наличие межзвездной пыли, потребуется один миллион фотографий, чтобы отобразить все отобранные зерна. Изображения будут распространены среди пользователей домашних компьютеров, чтобы помочь в изучении данных с помощью программы под названием Stardust@home . В апреле 2014 года НАСА сообщило, что извлекло из аэрогеля семь частиц межзвездной пыли. [27]
Stardust был запущен с двумя наборами одинаковых пар квадратных кремниевых пластин размером 10,16 см (4 дюйма) . На каждой паре были гравюры с более чем миллионом имен людей, которые участвовали в программе работы с общественностью, заполняя интернет-формы, доступные в конце 1997 и середине 1998 года. Одна пара микрочипов была установлена на космическом корабле, а другая прикреплена к капсуле возврата образцов. [1] : 24
Звездная пыль была запущена в 21:04:15 по всемирному координированному времени 7 февраля 1999 года Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства с космодрома 17А на базе ВВС на мысе Канаверал во Флориде на борту ракеты-носителя Delta II 7426 . Полная последовательность горения длилась 27 минут, выведя космический корабль на гелиоцентрическую орбиту, которая должна была вывести космический корабль вокруг Солнца и мимо Земли для гравитационного маневра в 2001 году, для достижения астероида 5535 Аннефранк в 2002 году и кометы Уайлд-2 в 2004 году на низкой высоте. Скорость пролета 6,1 км/с. В 2004 году космический корабль выполнил коррекцию курса, которая позволила бы ему пройти мимо Земли во второй раз в 2006 году, чтобы выпустить капсулу возврата образца для посадки в штате Юта на соляных равнинах Бонневилля . [1] : 14–22 [7]
Во время второй встречи с Землей 15 января 2006 года была выпущена капсула возврата образца. [7] Сразу после этого «Звездная пыль » была переведена в «маневр отклонения», чтобы избежать входа в атмосферу рядом с капсулой. После маневра на борту осталось менее двадцати килограммов топлива. [7] 29 января 2006 года космический корабль был переведен в режим гибернации с активными только солнечными панелями и приемником на трехлетней гелиоцентрической орбите, 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 в полную эксплуатацию для пролета кометы Темпель-1 в 2011 году. Это продление миссии было первым, в котором повторно посетили небольшое тело Солнечной системы и использовали оставшееся топливо, сигнализируя о окончание срока полезного использования космического корабля. [29]
2 ноября 2002 года в 04:50:20 по всемирному координированному времени «Звездная пыль» столкнулась с астероидом 5535 Аннефранк на расстоянии 3079 км (1913 миль). [7] Фазовый угол Солнца за период наблюдений колебался от 130 до 47 градусов. Это столкновение использовалось главным образом в качестве инженерных испытаний космического корабля и наземных операций при подготовке к столкновению с кометой Уайлд-2 в 2003 году. [7]
2 января 2004 года в 19:21:28 UTC «Звездная пыль» столкнулась с кометой Уайлд 2 [34] на солнечной стороне с относительной скоростью 6,1 км/с на расстоянии 237 км (147 миль). [7] Первоначально планировалось, что расстояние столкновения составит 150 км (93 мили), но оно было изменено после того, как комиссия по проверке безопасности увеличила расстояние наибольшего сближения, чтобы свести к минимуму вероятность катастрофических столкновений пыли. [7]
Относительная скорость между кометой и космическим кораблем была такова, что комета фактически догнала космический корабль сзади, когда они вращались вокруг Солнца. Во время встречи космический корабль находился на освещенной Солнцем стороне ядра, приближаясь под углом солнечной фазы 70 градусов, достигая минимального угла в 3 градуса при максимальном сближении и удаляясь под фазовым углом 110 градусов. [7] Во время облета использовалось программное обеспечение AutoNav. [35] : 11
Во время пролета космический корабль развернул пластину для сбора проб, чтобы собрать образцы пылевых частиц из комы , и сделал подробные снимки ледяного ядра . [36]
19 марта 2006 года ученые Stardust объявили, что рассматривают возможность перенаправления космического корабля на второстепенную миссию по получению изображений кометы Темпель 1 . Комета ранее была целью миссии Deep Impact в 2005 году, отправив на поверхность ударный элемент. Возможность этого расширения может иметь жизненно важное значение для сбора изображений ударного кратера, который Deep Impact не удалось запечатлеть из-за пыли от удара, закрывающей поверхность.
3 июля 2007 года продление миссии было одобрено и переименовано в « Новое исследование Темпеля 1» (NExT). Это исследование позволит впервые взглянуть на изменения в ядре кометы, происходящие после близкого сближения с Солнцем. NExT также расширит возможности картирования Темпеля 1, сделав его наиболее картируемым ядром кометы на сегодняшний день. Это картирование поможет ответить на основные вопросы геологии ядра комет. Ожидалось, что пролетная миссия израсходует почти все оставшееся топливо, что будет сигнализировать о прекращении работоспособности космического корабля. [29] Программное обеспечение AutoNav (для автономной навигации) будет управлять космическим кораблем в течение 30 минут до встречи. [37]
Цели миссии включали следующее: [37]
Второстепенные цели
15 февраля 2011 года в 04:39:10 UTC Stardust-NexT столкнулся с Темпелем-1 на расстоянии 181 км (112 миль). [8] [9] Во время встречи было получено около 72 изображений. Они показали изменения в местности и выявили части кометы, никогда не виденные Deep Impact . [38] Место падения Deep Impact также наблюдалось, хотя оно было едва заметно из-за того, что материал оседал обратно в кратер. [39]
24 марта 2011 года примерно в 23:00 по всемирному координированному времени Stardust провела сжигание оставшегося топлива. [33] На космическом корабле осталось мало топлива, и ученые надеялись, что собранные данные помогут в разработке более точной системы для оценки уровня топлива на космическом корабле. После сбора данных дальнейшее наведение антенны было невозможно и передатчик выключился. Космический корабль отправил подтверждение с расстояния примерно 312 миллионов километров (194 миллиона миль) в космосе. [5]
15 января 2006 года в 05:57 по всемирному координированному времени капсула возврата образца успешно отделилась от звездной пыли . SRC снова вошел 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 входу в атмосферу, переходя со скорости 36 Маха до дозвуковой скорости за 110 секунд. [42] [ неудачная проверка ] Пиковое замедление составило 34 g , [43] наблюдалось через 40 секунд после входа в атмосферу на высоте 55 км над Спринг-Крик, штат Невада . [42] Тепловой экран углеродного аблятора с фенольной пропиткой (PICA) , произведенный Fiber Materials Inc., во время этого крутого входа в атмосферу достиг температуры более 2900 °C. [44] Затем капсула спрыгнула с парашютом на землю и, наконец, приземлилась в 10:12 UTC на испытательном и тренировочном полигоне штата Юта , недалеко от испытательного полигона армии США в Дагуэе . [6] [45] Затем капсула была перевезена военным самолетом из штата Юта на базу ВВС Эллингтон в Хьюстоне , штат Техас , а затем передана по дороге в составе необъявленного конвоя в Центр хранения планетарных материалов в Космическом центре Джонсона в Хьюстоне, чтобы начать анализ. [7] [46]
Контейнер с образцом был доставлен в чистую комнату с коэффициентом чистоты в 100 раз выше, чем в операционной больницы, чтобы гарантировать отсутствие загрязнения межзвездной и кометной пылью. [47] По предварительным оценкам, в аэрогелевый коллектор попало не менее миллиона микроскопических пылинок . Было обнаружено, что десять частиц имели размер не менее 100 микрометров (0,1 мм), а самые крупные - примерно 1000 микрометров (1 мм). На коллекторе образцов, который находился на задней стороне кометного пылесборника, также было обнаружено около 45 столкновений межзвездной пыли . Пылинки наблюдаются и анализируются командой волонтеров в рамках гражданского научного проекта Stardust@Home .
Общая масса собранного образца составляла примерно 1 мг. [48]
В декабре 2006 года в научном журнале Science было опубликовано семь статей , в которых обсуждались первоначальные детали анализа образцов. Среди находок: широкий спектр органических соединений , в том числе два, которые содержат биологически полезный 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 соответствие смеси Солнечной системы и межзвездного вещества, ранее установленной спектроскопически на основе наземных наблюдений; [49] обнаружено отсутствие гидросиликатов и карбонатных минералов, что свидетельствует об отсутствии водной переработки кометной пыли; ограниченное количество чистого углерода ( CHON ) [ необходимы разъяснения ] 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 среди множества изображений аэрогеля след (с надписью «I1043,1,30»), который может содержать межзвездную пылинку. [50] Программа позволяет распознавать и называть любые открытия добровольцев. Хадсон назвал свое открытие «Орион». [51]
В апреле 2011 года учёные из Университета Аризоны обнаружили доказательства наличия жидкой воды в комете Уайлд 2 . Они обнаружили минералы сульфида железа и меди , которые, должно быть, образовались в присутствии воды. Это открытие разрушает существующую парадигму, согласно которой кометы никогда не нагреваются настолько, 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 каждому после завершения обучения на веб-странице Беркли. [54]
Возвращаемая капсула в настоящее время находится в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия. Экспозиция там началась 1 октября 2008 года, в 50-летие основания НАСА. Возвратная капсула отображается в режиме сбора проб рядом с образцом аэрогеля, используемого для сбора проб. [55]
Образцы комет показывают, что внешние области ранней Солнечной системы не были изолированы и не были убежищем, где обычно могли выжить межзвездные материалы. [56] Данные свидетельствуют о том, что высокотемпературный материал внутренней Солнечной системы сформировался и впоследствии был перенесен в пояс Койпера . [57]
В 2009 году НАСА объявило , что ученые впервые определили один из фундаментальных химических строительных блоков жизни на комете: глицин , аминокислота, была обнаружена в материале, выброшенном кометой Уайлд-2 в 2004 году и захваченном кометой. Зонд звездной пыли . Глицин и раньше обнаруживался в метеоритах, также есть наблюдения в межзвездных газовых облаках, но находка в звездной пыли описывается как первая в кометном материале. Изотопный анализ показывает, что поздняя тяжелая бомбардировка включала удары комет после объединения Земли, но до появления жизни. [58] Карл Пилчер, руководитель Института астробиологии НАСА, прокомментировал: «Открытие глицина в комете подтверждает идею о том, что фундаментальные строительные блоки жизни преобладают в космосе, и усиливает аргумент о том, что жизнь во Вселенной может быть обычным явлением, а не редкий." [59]
