קפסולת חללית STARDUST הביאה איתה דוגמאות של אבק בין-כוכבי, כולל אבק שהתגלה לאחרונה, הזורם לתווך מערכת השמש שלנו מכיוון קבוצת “קשת” (Sagitarius). מניחים כי חומרים אלה מכילים זרעים / גרעינים קדמוניים מהתווך הבין-כוכבי והערפיליות, הכוללים שרידים מהיווצרות מע
לוקט ותורגם מאתר NASA, על-ידי אריה מורג, באדיבות האגודה הישראלית לאסטרונומיה
רקע
STARDUST, הינה משימת החלל האמריקאית הראשונה שהוקדשה אך ורק לחקר של שביט, והמשימה הרובוטית הראשונה המתוכננת להחזיר חומר מהחלל החיצון, מעבר למסלול הירח.
חללית STARDUST שוגרה ב-7 בפברואר, 1999, מ-Cape Canaveral, פלורידה על-גבי טיל דלתה II.
מטרתה הבסיסית של STARDUST היתה לאסוף אבק ודוגמאות מבוססות פחמן, במהלך המפגש הקרוב ביותר עם השביט WILD 2 – המכונה “VILT 2” על שמו של מגלהו השוויצרי. המפגש תוכנן ובוצע בינואר 2004, לאחר כמעט 4 שנים של טיסה בחלל.
קפסולת חללית STARDUST הביאה איתה דוגמאות של אבק בין-כוכבי, כולל אבק שהתגלה לאחרונה, הזורם לתווך מערכת השמש שלנו מכיוון קבוצת “קשת” (Sagitarius). מניחים כי חומרים אלה מכילים זרעים / גרעינים קדמוניים מהתווך הבין-כוכבי והערפיליות, הכוללים שרידים מהיווצרות מערכת השמש. אנליזה של חלקיקים שמימיים מדהימים אלה צפויה להניב הבחנות חשובות של האבולוציה של השמש והפלנטות שלה ואפילו את מקור החיים. על החללית הוצב מטען נוסף הכולל ספקטרומטר-מסה, צג למדידת זרם אבק, מצלמת CCD לניווט אופטי, ומשדר-מקלט רדיו. מכשירים נוספים אלה ישלימו ויאמתו נתונים, לאלה שיופקו מהחלקיקים שיאספו.
באשר לשביט Willd 2, המטרה העיקרית היתה לאסוף חלקיקים בקוטר גדול מ-15 מיקרון, בעזרת אוגר ה-Aerogel (ראה גם בהמשך). באשר לחלקיקי האבק הבין-כוכבי, הכוונה היתה לחשוף את החללית לפחות למשך 150 יום לזרם האבק. חלקיקים אלה נלכדו בתווך בעל הצפיפות המשתנה של האירוג'ל הצורני, ללא נזק, על מנת לשמר לפחות את היסודות, התרכובות הכימיות והאיזוטופיות, והצורות המורפולוגיות של החלקיקים התת-מיקרוניים.
סקירה מדעית על Stardust
כאשר חושבים על שביט, טבעי לחשוב על השביט האליי (Halley) היות והוא כה ידוע וקל לצפות בו, בעת שהוא חולף בקרבת כדור-הארץ. קיימים הרבה שביטים אחרים, אחדים “אורחים” חדשים באזור שלנו במערכת השמש. אחד מהם הוא השביט Wild 2, אשר לא חלף בקרבת כדו”א עד 1974, כשאז כוח המשיכה של “צדק”, שינה את מסלולו. עתה הוא נע קרוב יותר לשמש, בין צדק לכדור-הארץ. היות שהוא לא נחשף לשמש בטווח הקרוב, הרכבו לא השתנה הרבה מאז היווצרותו. בזמן ש-Stardust פגשה בו, Wild 2 ביצע חמש הקפות סביב השמש, בלבד. מנגד, השביט Halley הקיף את השמש יותר ממאה פעמים בהתקרבו לשמש במידה רבה, כך שהרכבו הראשוני השתנה.
חמש פעמים זה קסם
כאשר שביט מתקרב מספיק לשמש ומתחמם, הוא מאבד חלק מהחומר שלו בתהליך של סובלימציה. זה קורה כאשר מוצק הופך לגז מבלי שיהפוך תחילה לנוזל. לאחר 1,000 הקפות סביב השמש, שביט מאבד את רוב המרכיבים הנדיפים ואינו מייצר יותר ענן, המורכב מגזים שהתנדפו מעל פני השטח שלו. היות ש הגזים הנדיפים הם אלה המסיעים את חלקיקי האבק מהגרעין – החלק המוצק של השביט, השביט אינו מייצר יותר את זנב האבק היפה שאנו מסוגלים לעיתים לראות בשמים, בלילה.
מאחר ו-Wild 2 חלף על-פני השמש רק פעמים ספורות, יש לו עדיין את האבק והגזים, והוא עדיין במצבו הקדמוני. חשוב לציין כי השביטים מורכבים מחומרים שנותרו מהערפילית של השמש לאחר היווצרות כוכבי הלכת. בניגוד לכוכבי הלכת, בשביטים לא חל שינוי מהותי מאז היווצרות מערכת השמש. לכן, ייתכן שהשביטים הם המפתח להבנת ההתפתחות המוקדמת של מערכת השמש. לכן, השביט Wild 2 עשוי להכיל הרבה מחומר קדמוני זה, העושה אותו לבחירה אידיאלית למחקר.
במקום הנכון בזמן הנכון
נקודת ראות חשובה של מסע השביט Wild 2 הוא העובדה שהוא נמצא במקום הנכון בזמן הנכון, לביקור. למשימת Stardust עזרה במיוחד העובדה שהמדענים היו מסוגלים למפות את נתיב הטיסה של החללית למפגש עם השביט, במרווח זמן של מהירות יחסית נמוכה. עקב מהירות מפגש נמוכה זאת, החללית הצליחה ללכוד את אבק השביט במקום שזה יחלוף במהירות באמצעות אוגר האבק.
חקר המסתורין של שביטים
ככלל, השביטים מורכבים מאבק וגזים קפואים. הם נעים במסלולים אליפטיים מאד, המביאים אותם אל קרבת השמש, ואז מסובבים אותם חזרה, עמוק אל תוך החלל. כרגיל, הנקודה הרחוקה ביותר אליה הם מגיעים היא מעבר למסלולו של פלוטו. בקרבת החום של השמש, שביטים מפתחים זנבות באורך מיליוני ק”מ, וחלקם יוצרים מראה מרהיב כאשר הם חולפים בקרבת כדור-הארץ.
נראה כי שביטים הופיעו במשך מאות שנים באופן לא-צפוי, תוך יצירת תגובות מוגזמות מצד האנשים שלא הבינו את התופעה. הם הואשמו בכל דבר החל במותם של מלכים, הרס של קיסרויות והופעתן של מגיפות. המעבר של השביט Halley בשנת 1066, למשל, ניבא, לכאורה את התבוסה של האנגלים בקרב Hasting. לאחרונה, במעבר שלו בשנת 1910, בתקופת התפתחות הספקטרוסקופיה, התגלו בו גזים רעילים. בנצלם את הפחד שכדור-הארץ יחלוף דרך הזנב הרעיל, מכרו נוכלים פוליסות ביטוח ותרופות הומאופטיות לאנשים תמימים, נגד “קדחת השביט”.
על-מנת לחקור את המיסתורין שבשביטים, חלפה החללית Stardust של נאס”א בקרבת שביט, ובפעם הראשונה אי-פעם, הביאה חומר חזרה לכדור-הארץ, לצורך מחקר ע”י מדענים מרחבי העולם. חומרים משביט זה, מקווים, יעזורו לפתור חלק מהסודות הכמוסים ביותר של גופים קטנים אלה, המתוארים לעיתים כ”כדורי קרח מלוכלכים” המטיילים בחלל. על-ידי לימוד, במידה זו או אחרת, על חלקיקים אלה של שביט, מקווים המדענים לגלות דבר מה על החומרים שיצרו את היקום, וייתכן אף אודות מקורו של היקום. שאלה גדולה אחרת שעליה מבקשים המדענים תשובה טובה יותר, היא האם הביאו השביטים מים לכדור-הארץ.
ללכוד אבק שביט עם Aerogel
המטרה הראשונית של משימת Stardust היתה ללכוד הן חלקיקי שביט והן אבק בין-כוכבי. האתגר הראשי להשגת המטרה בהצלחה כרוך היה בהאטת החלקיקים ממהירותם הגבוהה, מבלי להעלות את הטמפרטורה שלהם או השפעות אחרות, העלולות לגרום לשינויים פיסיקליים. כאשר החללית פגשה בשביט, מהירות ההתנגשות של החלקיקים היתה גבוהה פי 6 ממהירות כדור רובה. אף על פי שכל חלקיק עשוי להיות קטן מגרגיר חול, לכידה במהירות גבוהה עלולה לשנות את צורתם ואת הרכבם הכימי, ואף לאייד אותם לחלוטין
על מנת ללכוד חלקיקים מבלי לגרום להם נזק, Stardust השתמשה בחומר יוצא מן הכלל המכונה “אירוג'ל” (aerogel). זהו מוצק על בסיס סיליקון, בעל מבנה נקבובי דוגמת ספוג, בו 99.8 אחוז מהנפח הוא חלל ריק. להשוואה, צפיפותו של אירוג'ל נמוכה פי 1,000 מאשר זו של זכוכית – מוצק נוסף על בסיס סיליקון. כאשר חלקיק פוגע בחומר זה , הוא קובר עצמו לכאורה בתוך החומר, תוך יצירת נתיב ארוך פי 200 מאורכו שלו. הדבר מאט אותו ומביא את החלקיק לעצירה סופית, באופן הדרגתי. בזכות העובדה שהאירוג'ל הוא ברובו שקוף, עם קליפה בגוון מיוחד: כחול-מעושן, יוכלו המדענים להשתמש בנתיבים אלה על מנת למצוא את החלקיקים הזעירים.
תכונות ה-Aerogel
האירוג'ל אינו דומה לקצף רגיל, אלא חומר נקבובי מיוחד עם נקבוביות מיקרוסקופית, בסקלה מיקרונית. הוא מורכב ממרכיבים בודדים בגודל מספר ננומטרים, המחוברים בדחיסות נקבובית גבוהה. תווך
יוצא-דופן זה הינו בעל תכונות בלתי רגילות, כגון מוליכות תרמית נמוכה, מדד שבירת אור ומהירות קול נמוכים – בנוסף ליכולתו יוצאת הדופן ללכוד אבק הנע במהירות גבוהה. האירוג'ל מיוצר בטמפרטורה ולחץ גבוהים המגיעים לנקודה קריטית, לייבוש של ג'ל המורכב ממולקולות סיליקון עם מילוי ממיסים. אירוג'ל יוצר ואושר כחומר תעופתי במעבדת ההנעה הסילונית (J.P.L.). מעבדה זו הכינה אירוג'ל עבור ה-Pathfinder למאדים ומשימת Stardust, שהיא בעלת תכונות מבוקרות וטהורות. אירוג'ל מיוחד זה מתקרב לצפיפותו של אוויר. הוא חזק ועומד בקלות בתנאי סביבה של שיגור וחלל. כמו כן הוא נוסה לאחרונה, בטיסות מעבורת החלל ומעבדת החלל II.
אוגר “רקטת הטניס”
האירוג'ל בחללית Stardust הותקן בתוך “אוגר” שצורתו כצורת מחבט טניס. האוגר תוכנן להיות מוגן בתא החוזר לאדמה מלהיחשף לחלל, במהלך הטיסה. צד אחד של האוגר יפנה מול החלקיקים בשביט Wild 2, כאשר הצד השני יופנה לזרם האבק הבין-כוכבי בו יפגשו במהלך הטיסה.
כאשר חלקיקים בעלי מהירות גבוהה ביותר נלכדים באירוג'ל, הם יוצרים נתיבים קוניים חלולים הנראים בקלות בשקיפות הגבוהה של החומר, על-ידי שימוש בסטריאו-מיקרוסקופ. החרוט (קונוס) הזה הוא רחב בנקודת הכניסה, והחלקיק מוחזק ללא פגע בקודקוד הקונוס. הדבר מספק שיטה לקבוע מאיזה כיוון הגיע גרגיר האבק, והוא הבסיס לגישה של שימוש בלוח יחיד של אירוג'ל ללכוד הן אבק מהשביט והן מהתווך הבין-כוכבי, משני הכיוונים מבלי להתבלבל.
לאחר המפגש עם השביט Wild 2, אוגר האירוג'ל יוכנס לתוך תא הדוגמאות (SRC) ויוחזר ארצה לצורך אנליזה מפורטת, על-ידי מדענים במרכז החלל של NASA ע”ש ג'ונסון.
תכנית הטיסה
תכנון מסלול תוך העזרות בתאוצת הכובד של כדור-הארץ, איפשר ל-Stardust ללכוד אבק מהשביט במהירות יחסית נמוכה של 6.1 ק”מ לשנייה (להשוואה, חללית Giotto פגשה את השביט Halley במהירות הגבוהה פי עשר). בעזרת מערכת הניווט האופטית שעל החללית, הריחוף התבצע במרחק של כ-300 קילומטר מגרעין השביט. מסלול מדהים זה איפשר שיגור, בצריכת דלק נמוכה ושימוש בטיל דלתא II מגירסה בינונית.
תמצית לוח-הזמנים
שיגור – פברואר 1999.
הסתייעות בתאוצת הכובד של כדוה”א – ינואר 2001.
מפגש עם האסטרואיד Annefrank – נובמבר 2002.
מפגש עם השביט Wild 2 – ינואר 2004.
חזרה ל כדוה”א – ינואר 2006.
החללית Stardust שוגרה ביום 7 פברואר 1999. הלולאה המסלולית הראשונה ארכה שנתיים במהירות של 160 מטר לשנייה, על טיל דלתא-V ותיקוני מסלול בקרבת המוקד הרחוק של מסלול כדו”א סביב השמש
(Aphelion). משיכת כדו”א “שאבה” את החללית לאורך לולאה של 2.5 שנים, אותה ביצעה החללית פעמיים. 198 יום לפני המפגש וכאשר מהירות הטיל דלתא-V היא 71 מטר לשנייה, תוכנן מעבר החללית ליד השביט. זה קרה ב-2 ינואר 2004, במרחק 1.86 יחידות אסטרונומיות ו-98.5 יום לאחר מעבר החללית של הפריהליון (Perihelion). מבחן יחידה אסטרונומית בוצע במהלך יוני-יולי 2003, על-מנת לאמוד את הביצועים של החללית לקראת חזרה לתחום כדור-הארץ. החללית התקרבה לשביט במהירות של 6.1 ק”מ לשנייה, מכיוון השמש בזוית פאזה של 73 מעלות. הטיסה דרך השביט היתה בצד השמש ובמרחק של 300 ק”מ ממנו. החללית חלפה ליד השביט 5 שנים ממועד השיגור והחזרה לכדור-הארץ תארך שנתיים נוספות.
בסך-הכל, התבצעו שלוש הקפות סביב השמש, על-מנת להקטין למינימום הצרכים של הטיל דלתא V לביצוע המשימה כך שדגם בינוני של הטיל יתאים. בנוסף, שלוש ההקפות איפשרו את מירב הזמן לאיסוף של האבק הבין-כוכבי.
המסלול
על-מנת להיפגש עם השביט Wild 2, החללית ביצעה שלוש הקפות סביב השמש. בהקפה השנייה, מסלולה חצה את מסלולו של השביט. במהלך המפגש, STARDUST ביצעה מגוון משימות כולל דיווח על כמות חלקיקי השביט שפגעו בחללית בעת המפגש עם זרם האבק ונמדדו בצג, וניתוח בזמן-אמת של תרכובות חלקיקים האלה והתוצרים הנדיפים שנאספו על-ידי השביט ומכשיר הבדיקה של האבק. תוך שימוש בחומר ה- האירוג'ל לכדה החללית חלקיקים ואיחסנה אותם בביטחה למשך המסע הארוך חזרה לכדור-הארץ. בינואר 2006 חזרה Stardust והמטען היקר שלה, על-ידי פתיחת מצנח וחדירה לאטמוספירת כדור-הארץ של התא השוקל כ-57 ק”ג (125 פאונד).
תכנית התגליות של נאס”א
סטארדאסט הינה המשימה הרביעית של נאס”א בעקבות Pathfinder למאדים, מפגשים עם אסטרואידים קרובי-ארץ ומשימת חקר הירח. משימות תגלית הן תכנית מתמשכת שמטרתה להציע לקהילה המדעית הזדמנויות להשיג או להשלים מחקרים מדעיים שכיחים באיכות גבוהה, תוך שימוש בשיטות ניהול חדשניות ויעילות. התכנית שואפת לביצועים גבוהים בעלות נמוכה על-ידי שימוש בטכנולוגיות חדישות ושמירה על גבולות עלות קפדנית.
Stardust חוזרת הביתה
16 ינואר 2006: תא המחקר של Stardust נחת בהצלחה ביום ראשון, 15 ינואר 2006, במהירות החדירה הגבוהה ביותר שחללית חדרה לאטמוספירה אי-פעם. נחיתתה הבטוחה ציינה סיום מסע של 7 שנים, סביב מערכת השמש.
