Misja Rosetta – najważniejsze odkrycia z wnętrza komety [ANALIZA]

Geneza, kontekst naukowy i cele misji

Misja Rosetta została zainicjowana przez Europejską Agencję Kosmiczną (ang. European Space Agency – ESA). Zyskała status kamienia milowego w badaniach małych ciał Układu Słonecznego. Jej głównym celem było szczegółowe zbadanie jądra komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko, a także lądowanie na powierzchni komety za pomocą autonomicznego modułu badawczego Philae. Była to pierwsza misja, która miała towarzyszyć komecie przez dłuższy czas szacowany na kilka miesięcy aktywnej obserwacji jej ewolucji podczas zbliżania się do Słońca.

Decyzja o budowie sondy Rosetta zapadła w ramach długofalowego programu badawczego ESA o nazwie Horizon 2000, przyjętego na początku lat 90. XX wieku. Sklasyfikowano ją jako „Cornerstone Mission”, czyli flagowy projekt europejskiej inicjatywy w zakresie eksploracji kosmosu. Pierwotnie planowano wystrzelenie sondy w styczniu 2003 roku, a jej zadaniem było zbadanie komety 46P/Wirtanen.

Jednak po nieudanym starcie rakiety nośnej Ariane 5 w grudniu 2002 roku, która miała wynieść inny obiekt podczas misji ESA pod kryptonimem Hot Bird 7, zdecydowano się opóźnić start Rosetty. Przewartościowano również priorytety i ostatecznie zmieniono cel na kometę 67P/Czuriumow–Gierasimienko. Nowe okno startowe otworzyło się w marcu 2004 roku, natomiast 2 marca tego samego roku Rosetta wystartowała z kosmodromu położonego w pobliżu Kourou w Gujanie Francuskiej na pokładzie rakiety Ariane 5G+.

Wybór komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko był podyktowany szeregiem uwarunkowań naukowych i operacyjnych. Ten naturalny obiekt zakwalifikowano jako kometę okresową, o relatywnie dobrze rozpoznanej orbicie oraz częstych powrotach w rejon Słońca. Ułatwiło to zaplanowanie odpowiednich manewrów orbitalnych. Żargon astronomiczny określa komety typu 67P/Czuriumow–Gierasimienko za „kosmiczne kapsuły czasu”, ponieważ przenoszą pierwotne pozostałości po procesie formowania się Układu Słonecznego. Nierzadko zawierają lód wodny, pył oraz proste i złożone związki organiczne powstałe około 4,6 miliarda lat temu w protoplanetarnej mgławicy.

Aby wypełnić założone cele naukowe podczas misji kosmicznej ukierunkowano się na konieczność zbadania składu chemicznego jądra komety oraz związków obecnych w jej otoczce, czyli komie. Dążono również do zrozumienia dynamiki aktywności komet podczas ich podróży wokół Słońca. Nie mniej istotne było uzyskanie wiarygodnej odpowiedzi na stawiane dotychczas pytania dotyczące kwestii pochodzenia wody na Ziemi.

W odróżnieniu od poprzednich misji przelotowych, Rosetta została zaprojektowana jako platforma orbitalna zdolna do długoterminowego działania w bliskim sąsiedztwie komety. ESA zaplanowała złożoną architekturę dedykowaną tej operacji. W jej skład wchodził także lądownik Philae, będący niewielkim modułem o masie około 100 kg, który był zdolny do przeprowadzenia eksperymentów in situ na powierzchni jądra komety. Dodatkowo wyposażono go w 10 instrumentów naukowych, w tym m. in. spektrometry masowe, mikroskopy, analizatory gazów oraz instrumenty do pomiarów właściwości mechanicznych i magnetycznych gruntu.

Misja Rosetta posiadała charakter badawczy i zarazem technologiczny. Uchodziła ona za test długotrwałego zarządzania sondą kosmiczną w głębokim kosmosie, systemów autonomicznego nawigowania w warunkach niskiej grawitacji oraz zaawansowanej transmisji danych. Był to też pierwszy przypadek w historii, gdy sonda została celowo wprowadzona na orbitę wokół komety, a następnie kierowana w kontrolowany sposób na jej powierzchnię, kończąc misję 30 września 2016 roku.

Chronologia operacyjna misji Rosetta – trajektoria, manewry i punkty zwrotne

Misja rozpoczęła się 2 marca 2004 roku startem sondy Rosetta na pokładzie rakiety Ariane 5G+ z Gujańskiego Centrum Kosmicznego. W celu osiągnięcia odpowiedniej prędkości w przestrzeni międzyplanetarnej, koniecznej do przechwycenia komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko, sonda musiała wykonać złożoną sekwencję manewrów asysty grawitacyjnej (ang. Gravity assist).

Trzykrotnie skorzystała z grawitacji Ziemi w latach 2005, 2007 i 2009, a także raz z grawitacji Marsa w 2007 roku, by sukcesywnie zwiększać energię orbitalną oraz ustawić trajektorię przelotu. Tego rodzaju manewry stanowią standardową technikę w misjach międzyplanetarnych, lecz ich synchronizacja w tak długim horyzoncie czasowym była jednym z większych wyzwań nawigacyjnych.

Podczas lotu w kierunku głównego celu, Rosetta przeprowadziła dwa zaplanowane przeloty w pobliżu planetoid pasa głównego. W 2008 roku zbadała asteroidę 2867 Šteins z odległości około 800 km, dokumentując jej nieregularny kształt oraz zróżnicowaną morfologię powierzchni. W lipcu 2010 roku sonda przemieszczała się w pobliżu asteroidy 21 Lutetia, należącej do jednego z większych obiektów w tym regionie.

W ten sposób dostarczyła danych spektrometrycznych wraz z obrazami o rozdzielczości do 60 metrów na piksel. Obserwacje te były ważnym etapem rozszerzającym naukową wartość misji Rosetta, pozwalającą jednocześnie przetestować systemy nawigacyjne i obserwacyjne sondy w warunkach rzeczywistego przelotu.

Ze względu na ograniczoną dostępność energii słonecznej w zewnętrznych rejonach Układu Słonecznego, w czerwcu 2011 roku Rosetta została wprowadzona w stan hibernacji. Większość systemów została wyłączona, z wyjątkiem zegara pokładowego oraz kontrolera termicznego. Faza ta trwała ponad 31 miesięcy. Zgodnie z planem operacyjnym, w dniu 20 stycznia 2014 roku, komputer pokładowy automatycznie uruchomił procedurę wybudzania. Sygnał potwierdzający poprawne wznowienie działania dotarł do centrum kontroli misji ESA w Darmstadt tego samego dnia.

W sierpniu 2014 roku Rosetta zbliżyła się do komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko na dystans około 100 km i rozpoczęła manewry zmierzające do wejścia na orbitę wokół jądra komety. Z uwagi na bardzo niską grawitację i nieregularny kształt jądra, operacja ta wymagała szeregu precyzyjnych korekt trajektorii. Po osiągnięciu stabilnej orbity, rozpoczęto mapowanie powierzchni i identyfikację możliwych miejsc lądowania dla modułu Philae.

W listopadzie 2014 roku po odłączeniu od głównej sondy, lądownik Philae rozpoczął zniżanie ku powierzchni komety. Lądowanie przebiegło w sposób nieplanowany, ponieważ system harpunów i śrub kotwiących zawiódł, powodując odbicie lądownika od powierzchni i jego przemieszczenie na nieoświetlony obszar nazwany później „Abydos”. Mimo ograniczeń energetycznych Philae zdołał przeprowadzić większość z zaplanowanych eksperymentów w ciągu około 64 godzin działania. Uzyskano dane m. in. na temat twardości i porowatości gruntu, składu gazów sublimujących z jądra oraz obecności związków organicznych, takich jak aceton, metanol i formaldehyd.

Kontakt z lądownikiem został utracony, a próby jego wznowienia w późniejszym okresie przyniosły ograniczone rezultaty. Odebrano zaledwie krótki sygnał w czerwcu i lipcu 2015 roku. We wrześniu 2016 roku na kilka tygodni przed zakończeniem misji, udało się zlokalizować Philae na zdjęciach wykonanych przez kamerę OSIRIS (ang. Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) z pokładu Rosetty.

We wrześniu 2016 roku Rosetta została skierowana na powolne zejście w kierunku powierzchni jądra komety. Podczas tego manewru kontynuowała przesyłanie danych naukowych do ostatnich chwil funkcjonowania. Jej ostatnia transmisja odebrano o godzinie 13:19 czasu środkowoeuropejskiego letniego. Zakończenie przedsięwzięcia pozwoliło na pozyskanie danych z bliskiej odległości o strukturze powierzchni, polu grawitacyjnym i aktywności lokalnej komy w pobliżu jądra.

Odkrycia naukowe misji Rosetta – chemia, geologia i dynamika kometarna

Do najważniejszych wyników misji trzeba zaliczyć precyzyjne zmierzenie stosunku deuteru do wodoru w cząsteczkach wody wyrzucanych z jądra komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko. Pomiaru dokonał instrument ROSINA (ang. Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis). Ustalono, że stosunek ten w wodzie z komety wynosi około 5,3 × 10⁻⁴, co oznacza wartość trzykrotnie wyższą niż w wodzie oceanicznej na Ziemi. Odkrycie to osłabiło hipotezę, według której komety były głównym źródłem powstania ziemskiej wody. Zamiast tego, większe znaczenie przypisano planetoidom typu C, których skład wody wydaje się bardziej zbliżony do ziemskiego.

Rosetta wykryła ponad 20 różnych związków organicznych w gazach emitowanych z komety, z których kilka nie było wcześniej obserwowanych w atmosferze żadnej komety. Wśród nich znalazły się m. in. formaldehyd (H₂CO), cyjanowodór (HCN), tiomocznik (CH₄N₂S), metylamina (CH₃NH₂), aceton (CH₃COCH₃) oraz związki siarki. Odkrycie to wspierało postawioną przez badaczy hipotezę, że komety mogły być nośnikami związków prebiotycznych w młodych układach planetarnych, przyczyniając się do powstania życia na planetach takich jak Ziemia.

Z kolei kamera OSIRIS dostarczyła zdjęć powierzchni jądra komety z rozdzielczością do kilkudziesięciu centymetrów na piksel. Pierwsze obrazy zaprezentowały niezwykły kształt jądra przypominający „gumową kaczkę”. Analiza geologiczna wykazała, że jądro komety prawdopodobnie powstało w wyniku powolnej kolizji dwóch ciał pierwotnych.

Powierzchnia jądra okazała się zaskakująco zróżnicowana. Zidentyfikowano co najmniej 19 różnych jednostek geologicznych, obejmujących klify, żleby, kratery, pola pyłowe i struktury przypominające diuny. W wielu miejscach widoczne były ślady erozji spowodowanej sublimacją lodu wodnego, a także osunięcia i zapadliska. Struktura jądra była w większości porowata (około 70–80%). Fakt ten dodatkowo potwierdzono przez eksperymenty lądownika Philae.

Dzięki długoterminowej obecności w pobliżu komety, Rosetta umożliwiła ciągłą obserwację zmienności aktywności komet w czasie rzeczywistym. Instrumenty MIRO (ang. Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter) i ROSINA śledziły cykle sublimacji wody, dwutlenku węgla i innych lotnych związków w zależności od nasłonecznienia poszczególnych obszarów jądra. Zaobserwowano, że procesy emisji gazów i pyłu sygnalizują wyraźny rytm dobowy, związany z ruchem obrotowym komety.

W trakcie zbliżania się do peryhelium w sierpniu 2015 roku, aktywność znacznie wzrosła. Niektóre obszary powierzchni generowały silne dżety pyłowe, widoczne na obrazach OSIRIS. Rejestracja i analiza tych procesów umożliwiła stworzenie dynamicznego modelu interakcji między powierzchnią jądra, jej składem, a zmieniającym się promieniowaniem słonecznym.

Technologie i wyzwania inżynieryjne misji Rosetta

Rosetta została zaprojektowana jako sonda długoterminowa zdolna do pracy przez ponad 12 lat. W ramach tego okresu czasowego trzy lata spędziła w stanie hibernacji, a kolejne dwa w trybie aktywnej obserwacji obiektu o bardzo niskiej grawitacji, poruszającego się po eliptycznej orbicie.

Aby zasilać systemy pokładowe w warunkach znacznie słabszego nasłonecznienia niż w przypadku orbit planetarnych, zastosowano dwa rozkładane panele słoneczne o długości 14 metrów każdy. Panele mogły funkcjonować przy poziomie natężenia promieniowania słonecznego nawet pięć razy niższym do porównaniu względem tego oddziałującego w pobliżu Ziemi. Dodatkowym wyzwaniem było zapewnienie odpowiedniego zarządzania temperaturą. Wnętrze sondy musiało być utrzymywane w wąskim przedziale temperatur roboczych mimo dużych różnic w otoczeniu, sięgających od –150°C do ponad +50°C.

Ponadto, operowanie sondą w otoczeniu komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko wymagało systemów zdolnych do działania w środowisku o silnie nieregularnym polu grawitacyjnym, z dużą

ilością pyłu i zmiennym wypływem gazów. Główne wyzwanie inżynieryjne stanowiło precyzyjne utrzymanie pozycji względem jądra komety, przy równoległym zachowaniu stabilności orbity i ochrony instrumentów naukowych przed uderzeniami cząstek. W tym celu zastosowano zaawansowane algorytmy autonomicznej orientacji i korekcji trajektorii, które analizowały dane z czujników optycznych i inercyjnych w czasie rzeczywistym. Były to jedne z pierwszych przypadków zastosowania tak wysokiego stopnia autonomii w europejskiej misji kosmicznej. Algorytmy te posłużyły później jako baza do rozwoju technologii stosowanych m. in. w misjach planetoidalnych Hayabusa 2 oraz Hera.

Z kolei lądownik Philae był urządzeniem, które miało osadzić się na powierzchni jądra komety. Ze względu na mikrograwitację komety konieczne było zastosowanie mechanizmów kotwiczących, w tym harpunów i śrub wiercących. Niestety, po separacji z sondy Rosetta mechanizmy te nie zadziałały, co doprowadziło do kilkukrotnego odbicie się lądownika i przypadkowego osadzenia w zacienionej szczelinie skalnej.

Mimo to Philae zdołał przeprowadzić 80–90% zaplanowanych pomiarów w ciągu około 64 godzin działania na głównej baterii. Na pokładzie znajdowało się 10 instrumentów, w tym: system radarowy do analizy wnętrza komety CONSERT, spektrometry do analizy składu chemicznego i organicznego materiału APXS i COSAC, penetrator mierzący twardość i przewodnictwo cieplne gruntu MUPUS oraz czujniki wibracyjne i elektromagnetyczne SESAME.

Dane dostarczone przez Philae były pierwszymi bezpośrednimi pomiarami powierzchni komety, stanowiąc cenny kontekst dla analiz prowadzonych przez główną sondę z orbity. Współpraca pomiędzy modułami orbitalnym i powierzchniowym stanowiła pionierski przykład misji dwuwektorowej, który będzie kontynuowany przez przyszłą operację Comet Interceptor realizowaną przez ESA.

Przedsięwzięcie przewidywane jest na 2029 rok. Jego celem będzie zbadanie dziewiczej komety z Obłoku Oorta lub spoza Układu Słonecznego. Zakłada się, że misja przebiegnie w sposób elastyczny, koncentrując się na „przechwyceniu” odpowiedniego obiektu, bazując na danych z teleskopów naziemnych i Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Comet Interceptor ma wykorzystać wiele rozwiązań technologicznych rozwiniętych przy Rosetcie, w tym systemy wielomodułowej eksploracji i autonomicznej nawigacji.

Wkład w rozwój technologii misji międzyplanetarnych

Zrealizowanie tak skomplikowanej i długoterminowej misji stanowi potwierdzenie europejskich zdolności do prowadzenia ambitnych, niezależnych projektów naukowych. Program Rosetty trwał od fazy koncepcyjnej w latach 90. XX wieku do zakończenia operacji naukowych w 2016 roku. Był on w całości zarządzany i finansowany przez państwa członkowskie ESA, bez udziału NASA jako partnera głównego, co wyróżnia ją na tle większości dużych misji międzyplanetarnych.

Dzięki misji Rosetta udało się stworzyć unikalny zbiór danych dotyczących fizyki i chemii komet. Obejmuje on pomiary aktywności, morfologii, składu gazów i cząstek pyłu, a także obserwacje ewolucji powierzchni w czasie. Dane te pozostają w pełni dostępne w archiwum ESA o nazwie Planetary Science Archive i są nadal wykorzystywane przez badaczy do analiz porównawczych z innymi ciałami Układu Słonecznego.

Wykazano zdolność operowania w głębokim kosmosie przez ponad dekadę bez awarii krytycznych systemów pokładowych. Projektowanie i testowanie systemów nawigacyjnych, zasilania oraz zarządzania termicznego sondy stało się punktem odniesienia dla kolejnych misji ESA, takich jak JUICE, ExoMars, BepiColombo.

Doświadczenia zdobyte przy obsłudze autonomicznego lądownika na powierzchni o bardzo niskiej grawitacji znalazły zastosowanie także w planowaniu misji do ciał małych, gdzie warunki dynamiki są niestandardowe. Technologie związane z mikroinstrumentacją, telemetrią i zarządzaniem energią w ekstremalnym środowisku znalazły zastosowanie w innych sektorach przemysłu kosmicznego.

Rosetta jako model misji edukacyjnej i komunikacyjnej

ESA od początku traktowała Rosettę jako narzędzie budowania społecznego zrozumienia dla celów eksploracji kosmosu. Kluczowym elementem strategii komunikacyjnej było przybliżenie skomplikowanej tematyki badań nad kometami w sposób przystępny, atrakcyjny i angażujący. Zespół misji prowadził szeroko zakrojoną działalność medialną. Obejmowała ona wielojęzyczne transmisje, interaktywne kampanie w mediach społecznościowych oraz animacje popularyzujące złożoną tematykę badań kometarnych.

Działania te umożliwiły odbiorcom na całym świecie śledzenie misji w czasie rzeczywistym oraz zrozumienie jej celów i znaczenia. Do szczególnie skutecznych elementów kampanii komunikacyjnej było wprowadzenie antropomorfizacji postaci, w tym lądownika Philae i sondy Rosetta. Działanie te stały się symbolem misji i była szeroko rozpoznawalna również poza kręgami naukowymi.

Kulminacyjnym momentem kampanii medialnej było lądowanie Philae na powierzchni komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko w listopadzie 2014 roku. Wówczas ESA zorganizowała globalną transmisję wydarzenia, która była dostępna w wielu językach i obejmowała relacje na żywo, konferencje prasowe oraz interakcję z użytkownikami mediów społecznościowych. Umożliwiło to ludziom na całym świecie obserwowanie wydarzeń oraz aktywne uczestnictwo w ich komentowaniu i przeżywaniu. Misja Rosetta udowodniła, że złożone tematy naukowe mogą być skutecznie popularyzowane.