Астероид Итокава

Первое по важности достижение в освоении космоса — это отправить туда человека. Второе, в виду ценности и хрупкости человеческой жизни, — это привезти что-то от звезд. Маленький и непримечательный с Земли, астероид (25143) Итокава именно так и вошел в историю — он стал первым астероидом, грунт которого доставили на Землю. И более того — доставили вопреки всему. Команде японского зонда «Хаябуса», выполнившего эту миссию, пришлось несладко. Неисправности в центральных системах зонда, побег робота стоимостью десять миллионов долларов, двухмесячная потеря связи — все то, что сломило бы любых других астрономов, японцы выдержали с достоинством. Даже сокровенные образцы грунта они смогли взять уже неисправным аппаратом!

Характеристики Итокавы

Астероид был выбран для исследований не просто так — он принадлежит к Аполлонам, особой группе околоземных астероидов. Они отличаются тем, что пересекают орбиту Земли, когда та достигает афелия, максимального расстояния от светила. Происходит это в середине лета, между 3 и 7 июля. Обычно учеными приближенность к Земле рассматривается как опасность — такие астероиды в перспективе могут упасть на Землю. Но в данном случае именно близость Итокавы вдохновило отправить к нему зонд «Хаябуса». После анализа образцов грунта и расчетов, сегодня про астероид нам известно следующее:

• Масса Итокавы — 3,51×10¹⁰ кг. При большой длине в 535 м и максимальном поперечнике в 330 м, складывается впечатление, что астероид очень легкий — средняя плотность тогда составляет 1,9 г/см³. Это приблизительно равно плотности щебня.
• Объясняется такая воздушность формой и структурой Итокавы. Астероид напоминает искривленную грушу, состоящую из двух частей — тонкой круглой «головы» и вытянутого яйцеобразного «тела», что соединены перешейком из реголита — каменной пыли, покрывающей большинство космических тел без атмосферы. Часть «тела» представляет собою несколько крупных валунов, присыпанных пылью, отчего итоговая плотность составляет 1,7 кг/м³ — немногим больше плотности твердого меда. «Голова» же — это цельный объект, чья плотность значительно больше — 2,9 кг/м³. Это на двести грамм плотнее алюминия.
• Орбитальные характеристики Итокавы сродни другим астероидам-аполлонам. Период обращения Итокавы вокруг Солнца — 1,5 года, вокруг своей оси астероид делает поворот за 12 часов. Зато к Солнцу он подбирается порой ближе нашей планеты — на 0,9 астрономической единицы, среднего расстояния между светилом и Землей.

Но так как Итокава был первым астероидом, чей материал привезли на Землю, то и состав его — первый в списке открытий. Он сделал ученным немало сюрпризов. На основе полученных образцов было сделано предположение, что кислород в каждом объекте во Вселенной встречается в виде уникального изотопа — атома, чей вес несколько отличается от «идеального» веса в периодической таблице. Эти изотопы кислорода настолько индивидуальны, что исследователи заговорили о своеобразном «планетном ДНК», позволяющем идентифицировать происхождение объекта без отслеживания его перемещения.

Открытие и исследование Итокавы

Первичный этап

В отличие от многих знаменитых астероидов, которые посещались космическими зондами, у Итокавы нет личного первооткрывателя. Найден астероид был в 1998 году, в рамках программы LINEAR, миссией которой было обнаружение наибольшего числа околоземных астероидов и отслеживания их орбиты. Над проектом трудились ВВС США, НАСА и легендарный Массачусетский технологический институт — союз гигантов дал возможность открыть больше 226 тысяч новых астероидов и 236 комет. Поскольку телескопы были полностью автоматизированы, Итокаву открыл даже не человек — человеческое имя и место в истории исследования космоса были даны ему позже.

Современный этап

И так бы оставался Итокава безымянной точкой в небе среди 670 тысяч других астероидов, если бы в 2000 году Японское космическое агентство не выбрало его целью для запуска космического зонда «Хаябуса», что на русский переводится как «Сапсан». Цель японцев была не без амбиций — захватить на движущемся мимо Земли астероиде грунт и вернуться вместе с ним на Землю.

Выбранное поприще было тернистым:  кроме лунного грунта, космические зонды уже пытались доставить образцы кометы (зонд «Стардаст») и частички солнечного ветра (зонд «Генезис»). Последний разбился об Землю, едва не оставив ученных без материала для анализа. «Хаябусу» же едва сумели вернуть обратно.

Миссия зонда «Хаябуса»

На бумаге программа «Хаябусы» казалась простой — после запуска в мае 2003 года, аппарат должен был в 2005 году выйти на сближение с Итокавой. Там, выполнив свою часть научной работы, оставить «напарника» — мини-робота «Минерву» — и в 2007 спокойно вернуться на Землю. Но миссия с самого начала пошла наперекосяк. Сперва внезапная солнечная вспышка вывела из строя часть солнечных батарей зонда, усложнив тем самым энергоподачу. А для Хаябусы энергия была крайне важна из-за ионного двигателя, работа которого зависит полностью от электрического поля, разгоняющего инертные газы. Его плюс  — использование малого количества топлива, что облегчает аппарат и освобождает место для полезного груза.

На двигатель легла вся ответственность за исполнение миссии — еще до того, как «Хаябуса» подлетел к Итокаве, со строя вышло два из трех гироскопов — приборов для ориентации аппарата в пространстве.  В итоге пришлось использовать маневровые двигатели, увеличивая расход топлива — из-за этого вместо трех посадок «Хаябуса» смог совершить только две. Астрофизики разработали систему управления, позволяющую обойтись одним гироскопом, и надеялись выполнить миссию в полном объеме. Но сложности только начинались.

12 сентября 2005 года «Хаябуса» приблизился на расстояние в 20 километров от Итокавы. Это обеспечило сверхдетальную съемку поверхности астероида — до 70 сантиметров на пиксель, что уже много в сравнении с обычным разрешением в 30-40 метров. С помощью лазерного высотомера была создана 3D-модель астероида. Таким же методом создали модель астероида (433) Эрос, принадлежащего к тому же классу, что и Итокава, только намного крупнее.

Побег «Минервы»

3 ноября 2015 года «Хаябуса» начал заход на первую посадку. Целью была высадка микроробота «Минерву» — устройство всего в 10 сантиметров высотой и весом в 600 грамм, оснащенное тремя камерами и высокочувствительными датчиками. Передвигаться «Минерва» должна была как лягушка, прыжками в 5-10 метров длиной. Они позволили бы роботу не застревать в неровностях поверхности Итокавы, а небольшая масса — не тонуть в реголите. «Минерва» должна была исполнить и символическую миссию — на спусковой капсуле робота выгравировали имена 877490 людей, зарегистрировавшихся на сайте миссии «Хаябуса».

И с самого начала все пошло не так. Когда «Хаябуса» приблизился на километр к поверхности Итокавы, он вдруг передал сигнал об аномалии в оборудовании на Землю — боясь повредить зонд, ученые остановили спуск. Во время второй попытки, 12 ноября, японский зонд наконец-то сумел снизиться над астероидом до 60 метров и высадить «Минерву». Но связь потеряли в тот же момент, когда робот покинул посадочную капсулу.

Считается, что первый прыжок робота был чересчур сильным — и «Минерва», преодолев притяжение Итокавы, что в 100 тысяч раз слабее земного, покинула астероид. Как и задумывалось, капсула с именами людей осталась на Итокаве. Это, впрочем, единственное, что смог сделать робот за 10 миллионов долларов для своих создателей. Ответственность команды «Хаябусы» усилилась — теперь только от их мастерства зависело, смогут ли они посадить зонд на астероид и достигнуть поставленной цели.

Посадка «Хаябусы»

Подготовка к посадке самого зонда началась сразу после неудачи с «Минервой». 20 ноября «Хаябуса» спустился на 40 метров над поверхностью Итокавы и сбросил посадочную цель — сферу, покрытую светоотражающими элементами, напоминающую внешне дискотечный шар. На нее автопилот зонда ориентировался при снижении. Однако на высоте около 20 метров связь с «Хаябусой» была потеряна на 3 часа. За время рассоединения зонд успел приземлиться и даже полчаса посидел на поверхности Итокавы, но пробы с астероида взять не сумел.

Вторая попытка была совершена через 5 дней, 25 ноября — и прошла успешно. Метод, использованный японцами, был достаточно оригинален. «Хаябуса» сперва обстрелял почву астероида с пневматического устройства шариками, которые выбивали кусочки материала в воздух, а затем собрал поднятую пыль в специальную воронку. Было это, похоже, слишком большой удачей для невезучего зонда — уже 28 ноября произошла утечка топлива из реактивного двигателя, которое залило внутренности зонда и оборвало связь с зондом сперва на несколько дней, а потом — больше чем на месяц, до 23 января.

Возвращение «Хаябусы»

Состояние зонда, с которым к концу января астрономы уже успели попрощаться, было плачевным. Антенна, которая должна быть постоянно направленной на Землю, отклонилась от нее, а сам аппарат постоянно вращался. Утекшее топливо, построенное на основе азота и водорода, ученым удалось испарить из корпуса — но испарилось оно вместе с окислителем до последней капли, сделав запуск ракетного двигателя невозможным. А еще топливо сумело испортить аккумуляторы «Хаябусы» — и единственный рабочий ионный двигатель мог теперь работать только при постоянном контакте с Солнцем.

И все же японцы сумели вернуть аппарат. Подняв связь, они до 2007 года восстанавливали системы, обладая сильно ограниченной возможностью влиять на «Хаябусу», отдаленного на сотни миллионов километров. Спустя 3 года зонд прилетел к Земле и скинул капсулу с образцами, приземлившуюся в Австралии точно в указанном секторе. После проверок оказалось, что образцы астероида сохранились — не повредились они даже от жесткого спуска. Сам «Хаябуса» красивым фейерверком сгорел в плотных слоях атмосферы. Он стал первым после лунных зондов аппаратом, вернувшимся на Землю.

Особенности Итокавы

Одна из самых детальных фотосъемок, многочисленные спектральные и магнитные анализы, первые в истории образцы астероида в руках ученых — все это позволило объяснить на Итокаве то, что в других астероидах по сей день остается загадкой. Но и своих особенностей у Итокавы хватает— уже не предполагаемых астрономами, а достоверных.

• Формально Итокава относится к классу астероидов S — так называемым каменным астероидам. С этим классом сопоставляют большую часть падающих на Землю метеоритов. Но Итокава удивил ученых — несмотря на соответствующую классу S светимость, астероид продемонстрировал редкий набор минеров в составе. Около 39% пород — это разновидности оливина, бледно-зеленого минерала, содержащего магний и железо, который встречается на Земле в виде драгоценных камней хризолитов. Также оливины составляют львиную долю лунной пыли. А десятую часть материала Итокавы составляет железо — как и в сочетании с серой, так и чистое.
• Считается, что больше всего металла в его «голове», меньшей и тяжелой части астероида. Благодаря этому, астероид по-разному отражает солнечный свет в разных частях. Перепады светимости достигают 20%, что достаточно много — такая же разница в яркости между древесным углем и Луной. Именно поэтому Итокава приблизился к Земле — неравномерность облучения Солнцем отталкивает астероид в тех местах, где он ярче. Подтверждение теории «солнечного ускорения» было одной из главных целей зонда «Хаябуса».
• Итокава — очень молодой астероид: судя по количеству кратеров и степени выгорания его реголита, ему не больше 8 миллионов лет.
  

  Поверхность астероида

  При этом некоторые его материалы прошли метаморфозы, нагреваясь до 800 °С. Такую температуру могло иметь только крупное тело — значит, Итокава образовался недавно, после распада родительского тела. Обломки, к слову, некоторое время летели вместе — это привело к закруглению астероида.

• Хотя Итокава и молод, в космических масштабах «жить» астероиду осталось совсем недолго — около 100 миллионов лет. Солнечная радиация разбивает его твердую породу в пыль, которая не может держаться вместе без массивного тела-якоря и улетает в космос.

Интересный факт — коллизии, подобные близости орбит нашей планеты и Итокавы, грозят Земле падением космического тела на нее. Для понимания масштабов угрозы — астероид (99952) Апофис, что лишь на 200 метров длиннее Итокавы, при контакте с Землей в 2029 году может оставить кратер радиусом  5 километров, а пятибалльное землетрясение будет ощутимо даже за 120 километров от места падения! К счастью, вероятность этого мала — сегодня астрономы отрицают вероятность столкновения Земли с чем-либо крупным в будущем десятке миллионов лет.