روزتا و فیله: فرود تاریخی روی یک دنباله دار

چگونگی شکل گیری خورشید، منظومه شمسی و سیاره زمین و چگونگی آغاز حیات، پرسش های اساسی علم هستند که هنوز بی پاسخ مانده اند. امروز، ممکن است ما یک قدم به پاسخ به این سؤالات نزدیکتر باشیم، زیرا فضاپیمای فیلا که روی رزتا قرار دارد، برای اولین بار در حال فرود بر روی یک دنباله دار است. من توانستم با دو نفر از دانشمندان درگیر در این پروژه مصاحبه کنم تا بینشی در مورد چگونگی پاسخ ماموریت روزتا به این سؤالات بدست بیاورم.

دنباله دارها

مردم همیشه مجذوب ستاره های دنباله دار بوده اند. شاید شما شاهد منظره ای تماشایی بوده باشید که یک دنباله دار درخشان به آسمان شب می آورد. با این حال، برای هزاران سال، آنها را با نشانه های بد اشتباه می گرفتند – تا زمانی که علم مدرن تشخیص داد که چقدر قابل توجه هستند.

ستاره های دنباله دار حدود 4.6 میلیارد سال پیش در حومه منظومه شمسی شکل گرفتند. از آن زمان، ترکیب شیمیایی آنها اساساً بدون تغییر باقی مانده است، به دلیل انزوای نسبی آنها به دلیل مدارهای طولانی آنها به دور خورشید و دوره های مداری، که می تواند در صدها یا حتی هزاران سال اندازه گیری شود.

با حمل اطلاعات ضروری درباره منظومه شمسی زمانی که هنوز جوان بود، دنباله‌دارها می‌توانند بینشی درباره منشاء و تکامل سیارات ارائه دهند. دانشمندان بر این باورند که دنباله دارها نقش مهمی در شکل گیری اقیانوس ها و جو زمین ایفا می کنند، زیرا ترکیبات شیمیایی مانند آب از طریق برخوردهای دنباله دار به سطح زمین آورده شده اند. یک فرضیه حتی خارق‌العاده‌تر این است که از آنجایی که دنباله‌دارها همچنین حاوی مولکول‌های آلی پیچیده‌ای هستند که اجزای ضروری حیات را تشکیل می‌دهند (مثلاً اسیدهای آمینه و نوکلئیک)، آنها به آغاز زندگی روی زمین کمک کردند.

یکی از اهداف ماموریت روزتا کمک به کشف رمز و راز تکامل سیاره ای با مطالعه دنباله دارها است.

ماموریت: باز کردن رمز و راز تکامل سیاره ای

من این فرصت را داشتم که با دکتر کارستن گوتلر، مدیر پروژه دوربین OSIRIS در روزتا، از موسسه تحقیقاتی ماکس پلانک برای تحقیقات منظومه شمسی در گوتینگن، آلمان مصاحبه کنم. دکتر گوتلر اهمیت این ماموریت را توضیح داد و در عین حال مدلی از فضاپیما را که در دهلیز موسسه در معرض نمایش است به من نشان داد.

دکتر گوتلر توضیح داد: “دنباله دارها احتمالا کلید درک منشاء سیارات هستند. به همین دلیل است که این ماموریت به نام سنگ روزتا معروف است که متنی مشابه را به سه زبان مختلف نشان می‌دهد که در آن زمان تنها یکی از آن‌ها قابل درک بود.

فیله، کاوشگر روزتا

دکتر گوتلر به من یک نمای کلی از ماموریت روزتا داد. او گفت: «روزتا یک مأموریت سنگ بنای آژانس فضایی اروپا [و] یک پروژه بسیار بزرگ و مهم است. برای اولین بار یک فضاپیما به دنباله دار فرستاده می شود و نزدیک آن می ماند. تاکنون، مأموریت‌هایی [که مستلزم پرواز از کنار دنباله‌دارها بود، وجود داشت، اما روزتا از این نظر منحصربه‌فرد است که دنباله‌دار را برای بیش از یک سال همراهی می‌کند و چگونگی رشد و گرم‌تر شدن و فعال‌تر شدن آن را در راه رسیدن به خورشید دنبال می‌کند. ”

نقش اساسی در این مأموریت، فرودگر روزتا، فیلا ، است که به مدارگرد متصل است و می‌تواند این تحولات را ردیابی کند. گوتلر خاطرنشان کرد: در صبح روز 12 نوامبر، فرودگر از مدارگرد بیرون رانده می شود و روی سطح دنباله دار فرود می آید.

وی افزود: با روزتا، ما این امکان را داریم که دنباله دار را از فاصله دور مشاهده کنیم، در حالی که با فرودگر، آزمایشگاه کوچکی را به دنبال دنباله دار می فرستیم تا دنباله دار را در یک مکان با جزئیات کاوش کنیم.

همانطور که دکتر گوتلر اشاره کرد، روزتا اولین فضاپیمایی خواهد بود که در کنار یک دنباله دار پرواز می کند، در حالی که فیلا اولین فرود کنترل شده روی آن را انجام خواهد داد. پس از رها شدن فیله، در طول مسیری از پیش تعریف شده به سمت سطح دنباله‌دار می‌افتد و پس از یک مرحله پرواز آزاد حدوداً 7 ساعته، روی سطح می‌نشیند. به محض ورود فرودگر، دو هارپون شلیک می کند تا خود را به سطح زمین لنگر بیاندازد، زیرا گرانش دنباله دار تقریباً ده هزار بار ضعیف تر از گرانش زمین ما است.

سفر روزتا به اعماق منظومه شمسی

این ماجراجویی در سال 2004 آغاز شد، زمانی که روزتا به یک سفر 10 ساله به سمت دنباله دار 67P/Churyumov-Gerasimenko فرستاده شد.

این تصویر از دنباله دار 67P/Churyumov-Gerasimenko در 3 آگوست 2014 از فاصله 285 کیلومتری گرفته شده است. طیف گسترده ای از ساختارهای سطحی، مانند شیب های تند و دشت های بزرگ را نشان می دهد. اعتبار تصویر: ESA/Rosetta/MPS برای تیم OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

در طول این سفر، روزتا از کمربند سیارک ها عبور کرد. برخورد نزدیک با دو سیارک داشت. و برای صرفه جویی در انرژی، حتی برای تقریبا سه سال وارد خواب زمستانی در اعماق فضا شد. وقتی روزتا اوایل امسال از خواب زمستانی بیدار شد، کل تیم روزتا جشن گرفتند .

روزتا به محل مورد نظر می رسد

روزتا در 6 آگوست 2014 به محل مورد نظر خود رسید. هنگامی که این کار را انجام داد، یک سری مانورها را برای پیشروی تا فاصله 8 کیلومتری از سطح دنباله دار آغاز کرد. در طول این رویکرد، تیم روزتا به دنبال محل فرود مناسب برای اطمینان از اینکه سلول‌های خورشیدی فیله قادر به دریافت انرژی خورشیدی کافی هستند، پرداختند. علاوه بر این، تیم نمی خواست فرودگر توسط زمین ناهموار دنباله دار مانع شود و برای جلوگیری از هرگونه سنگ بزرگ برنامه ریزی کرد. در نهایت، تیم در نهایت سایت فرود را انتخاب کرد که نام آن آگیلکیا بود .

آگیلکیا روی “سر” دنباله دار قرار دارد. در تصویر نزدیک، در سمت راست، با یک ضربدر مشخص شده است. اعتبار تصویر: ESA/Rosetta/MPS برای تیم OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

اگر همه چیز خوب پیش برود، فیلا می تواند ماموریت خود را بر روی دنباله دار بلافاصله پس از فرود آغاز کند.

در سفر طولانی به محل هدف خود، فضاپیما قبلاً به اولین موفقیت های تاریخی بسیاری دست یافته است. این اولین فضاپیمایی است که به دور یک دنباله دار می چرخد ​​و همچنین اولین فضاپیمایی است که با استفاده از سلول های خورشیدی به عنوان منبع اصلی انرژی بسیار دور از خورشید پرواز می کند.

کاوش در سطح دنباله دار با شبیه سازی

روزتا و فیله بیش از 20 ابزار مختلف را حمل می‌کنند که در هنگام فرود، سطح و فضای داخلی دنباله‌دار را بررسی می‌کنند. یکی از آنها ابزاری به نام MUPUS (سنسور چند منظوره برای علوم سطحی و زیرسطحی) است که تحت رهبری موسسه تحقیقات سیاره ای مرکز هوافضای آلمان (DLR) واقع در برلین، آلمان ساخته شده است. همانطور که دنباله دار به خورشید نزدیک می شود، MUPUS به طور خاص برای اندازه گیری خواص حرارتی و مکانیکی سطح دنباله دار و همچنین تکامل آن در طول زمان طراحی شده است.

توسعه یک مدل

تیمی از محققان موسسه تحقیقات فضایی آکادمی علوم اتریش در گراتس، اتریش و موسسه تحقیقات سیاره‌ای در برلین، از COMSOL Multiphysics برای توسعه مدلی برای کمک به تفسیر اندازه‌گیری‌های حرارتی که توسط MUPUS انجام می‌شود، استفاده کردند. این تیم مقاله « تفسیر اندازه‌گیری‌ها با حسگرهای جدید هدایت حرارتی مناسب برای کاربردهای فضایی » را نوشت و آن را در کنفرانس COMSOL 2011 اشتوتگارت ارائه کرد.

نویسنده اصلی مقاله، دکتر نوربرت کومله، از مؤسسه تحقیقات فضایی در گراتس – که از ابتدای پروژه درگیر بوده است – به من گفت: «اینطور تصور کن. بدن دنباله دار مخلوطی از یخ و سنگ است: تا حدی مخلوط، تا حدی جدا شده و تا حدی شل. ما می‌خواهیم ویژگی‌های سطح را نه با نگاه کردن از بیرون، بلکه با قرار دادن یک کاوشگر در ماده تعیین کنیم.»

اما چنین وظیفه ای یک معضل ایجاد می کند. همانطور که کومل اشاره کرد، «چالش‌برانگیز است، زیرا فرودگر باید در زمینی ناهموار فرود بیاید، از سنگ‌های کوچک دوری کند و در سمت راست بماند. اگر موفقیت آمیز باشد، بدون اغراق، واقعاً یک دستاورد تاریخی خواهد بود.»

MUPUS از یک میله فیبر شیشه ای به طول تقریباً 40 سانتی متر تشکیل شده است که شامل 16 گرم کننده و سنسور جداگانه است. هر یک از آنها را می توان به طور جداگانه روشن و خاموش کرد تا تغییرات هدایت حرارتی در طول پروب اندازه گیری شود. در بالا یک دستگاه چکش زنی وجود دارد که برای تثبیت پروب و اندازه گیری خواص مکانیکی سطح استفاده می شود.

آزمایش MUPUS روی فرودگر Philae. از کومله و همکاران، کنفرانس COMSOL 2011 اشتوتگارت.

بررسی پدیده های درگیر

تیم دکتر کومل از ماژول انتقال حرارت ، یک افزودنی برای COMSOL Multiphysics، برای توسعه مدلی استفاده کردند که می‌تواند ویژگی‌های حرارتی سطح دنباله‌دار، مانند هدایت حرارتی، را از اندازه‌گیری‌ها استخراج کند.

آنها در مدل خود هندسه حسگر واقعی، تلفات حرارتی محوری در حسگرهای استوانه‌ای و مقاومت حرارتی بین پروب و مواد اطراف را در نظر گرفتند. دکتر کومله و همکارانش همچنین از نرم افزار شبیه سازی COMSOL برای کالیبره کردن کاوشگر MUPUS و نوع آن EXTASE استفاده کردند که برای اندازه گیری های زمینی ساخته شده است. آنها از شرایط مرزی تشعشع از پیش تعریف شده برای شبیه سازی محافظ و خنک سازی کاوشگر استفاده کردند.

تأثیر مقاومت حرارتی بین سنسور هدایت و خاک اطراف برای سنگ سنگی قمری تحت شرایط فشار ماه (خلاء). محدوده رسانایی حرارتی از 1250 W/m ² /K (نماینده تماس خوب مواد بین پروب و خاک) و 12.5 W/m ² /K (بدون هوا، بدون تماس مستقیم مواد) متغیر بود. از کومله و همکاران، کنفرانس COMSOL 2011 اشتوتگارت.

شبیه سازی ها برای ماموریت حیاتی هستند

شبیه سازی برای ماموریت روزتا حیاتی است. دکتر نوربرت کومله ادامه داد: «شبیه‌سازی‌ها در اینجا اهمیت ویژه‌ای دارند، زیرا ما می‌خواهیم ویژگی‌های سطح را تعیین کنیم. برای مثال، میزان نفوذ تابش خورشیدی [گرمای تولید شده توسط] به سطح دنباله‌دار چقدر است. این بستگی به نوع ماده ای دارد که سطح را می پوشاند – یخ یا مواد متخلخل دیگر. این را نمی توان به طور مستقیم محاسبه کرد، اما به هندسه و ساختار سنسور نیز بستگی دارد. بنابراین، ما یک مدل COMSOL [Multiphysics] راه‌اندازی کرده‌ایم، پارامترهای مختلف را در مدل تغییر داده‌ایم، برای مثال هدایت حرارتی، و مدل را با اندازه‌گیری‌های خود در آزمایشگاه و میدان مقایسه کرده‌ایم.»

با تغییر پارامترها، محققان می توانند ببینند که حرارت با چه سرعتی در مواد اطراف پخش می شود. از آنجایی که داده های این دنباله دار هنوز در دسترس نیست، شبیه سازی ها نقش کلیدی ایفا می کنند. دکتر کومله می گوید: «سطح دنباله دار همچنین می تواند از لایه های مختلفی مانند یخ، گرد و غبار یا خاک یخ زده ساخته شود. او افزود: «COMSOL [Multiphysics] در اینجا برای توسعه مدل‌های ما و کارآمدتر کردن کل فرآیند کار بسیار خوبی انجام داد.»

تیم دکتر کومل به استفاده از COMSOL Multiphysics برای کاربردهای دیگر نیز ادامه می‌دهد – یکی از آنها مدل‌سازی تکامل حرارتی شکاف‌ها در سطح دنباله‌دار و نحوه تغییر آنها به دلیل تصعید و جت‌های گاز در سطح است . دکتر کومله گفت: «کامسول [چندفیزیک] در اینجا نیز بسیار مفید بود.

مقایسه اندازه‌گیری‌های EXTASE در سنگ‌های آلپ و شبیه‌سازی‌های COMSOL Multiphysics برای کاربردهای زمینی با حسن نیت دکتر نوربرت کومله.

یک ماموریت تاریخی

کل ماموریت روزتا و فیله توسط چندین آژانس فضایی، کنسرسیوم های علمی از مؤسسات سراسر اروپا و ایالات متحده، و تیم صنعتی شامل بیش از 50 پیمانکار ساخته شد. این نشان دهنده چالش های علمی و فناوری قابل توجهی است که برای تحقق اهداف علمی بلندپروازانه ماموریت باید برطرف شود.

تیم روزتا در حال حاضر داده های چشمگیر زیادی دریافت کرده است. «تصاویر دیدنی هستند. آنها از قبل به ما الهام می‌دهند که مثلاً برخی از مناظر برفی زمستانی را در آنجا تصور کنیم. البته هیچ برفی وجود ندارد، بلکه گرد و غبار سطح را پوشانده است. ما همچنین صخره ها و ویژگی های فرسایشی مختلف را می بینیم. می توان از خود بپرسد “این همه چگونه شکل گرفت؟” دکتر گوتلر خاطرنشان کرد: تا به حال، ما واقعاً دیدیم که چقدر چیزها را نمی دانیم، اما این باعث می شود این ماموریت بسیار جذاب باشد.

تائید فرود در حوالی ساعت 16:00 به وقت گرینویچ امروز (12 نوامبر 2014) انتظار می رود، پس بیایید انگشتان خود را روی هم بگذاریم تا موفقیت آمیز باشد. همانطور که دکتر گوتلر بیان کرد، “من معتقدم، پس از ماموریت روزتا، تاریخ تحقیقات دنباله دار باید بازنویسی شود.”

به روز رسانی (11/12/2014): تاچ داون رسما در ساعت 16:03 به وقت گرینویچ تایید شد!

بیشتر خواندن

• برگه اطلاعات روزتا و فیله
• روزتا را ردیابی کنید
• صفحه وب روزتا موسسه تحقیقاتی ماکس پلانک برای تحقیقات منظومه شمسی
• صفحه وب روزتا آژانس فضایی اروپا
• وبلاگ روزتا ESA را بررسی کنید