Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 6 – vyšlo 6. února, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2015

Na návštěvě u komety – Philae

Vítězslav Kříha

Mise sondy RosettaRosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety., jejímž cílem je detailně studovat kometu 67P/Čurjumov-Gerasimenko je ambiciózním projektem ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008., o jehož plánování jsme psali v AB 20/2003. Po desetileté cestě vesmírem se Rosetta konečně dostala na oběžnou dráhu kolem kometyKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu. (viz AB 29/2014) a úspěšně uskutečnila přistání modulu PhilaePhilae – robotický přistávací modul ESA, který 12. listopadu 2014 jako první provedl řízené přistání na povrch komety. Ke kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko byl dopraven na sondě Rosetta. Přistávací manévr se nerealizoval podle plánu a výsledná poloha po dvou odpoutáních od povrchu komety je zhruba kilometr od vybrané lokality v poloze na boku a ve stínu terénní nerovnosti. Po vyčerpání energie primárních baterií byl modul v listopadu 2014 hibernován. Po přiblížení ke Slunci se baterie dobily a modul se ze spánku probudil v červnu 2015.  přímo na kometu (AB 37/2014). V tomto roce se tvář komety začíná poodhalovat, a přirozeně tak upoutává naši pozornost. V prvním kroku se blíže zaměříme na sondu Philae, která po úspěšném přistání a krátkém provozu na primární baterie nyní na povrchu komety čeká na svou příležitost, kdy díky dostatku světla bude moci dobít své baterie, probudit se z hibernace a pokračovat ve svém programu, byť s vysokou pravděpodobností bude pracovat jinak, než se plánovalo. Název byl zvolen podle nilského ostrova Philae, na němž byl postaven chrám bohyně Esety, který díky dvojjazyčným nápisům přispěl k rozluštění egyptských hieroglyfů. Symbolika zaměřená na Egypt provází celou misi Rosetta: místo původního přistání bylo pojmenováno po ostrovu Agilkia, novým bezpečným místem chrámu Philae po zatopení původní lokality Asuánskou přehradou.

Logo mise Philae

Rosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety. Philae – robotický přistávací modul ESA, který 12. listopadu 2014 jako první provedl řízené přistání na povrch komety. Ke kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko byl dopraven na sondě Rosetta. Přistávací manévr se nerealizoval podle plánu a výsledná poloha po dvou odpoutáních od povrchu komety je zhruba kilometr od vybrané lokality v poloze na boku a ve stínu terénní nerovnosti. Po vyčerpání energie primárních baterií byl modul v listopadu 2014 hibernován. Po přiblížení ke Slunci se baterie dobily a modul se ze spánku probudil v červnu 2015. ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008.

Co má Philae na palubě?

Stokilogramová sonda je vybavena deseti měřicími systémy, které dohromady váží 26,4 kilogramu.

Vrtná sada SD2 (Sample Drill & Distribution) je schopna odebírat vzorky o hmotnosti maximálně 3 mg, případně objemu nejvýše 20 ml. Vrtná hlavice o průměru 12 milimetrů může proniknout do různé hloubky podloží až do 230 milimetrů a poradí si s tvrdostí podloží od poprašku nadýchaného sněhu po čedič. Karuselový systém umožňuje zpracovávat vzorky v 26 píckách a předávat ke zpracování dalším systémům Phliae. Vrtná sada SD2 je schopna měřit objem odebíraných vzorků a je řízena nezávislou ovládací jednotkou. Výrobce deklaruje funkčnost do −150 °C a při −170 °C již přístroj není schopen pracovat. V pohotovostním režimu má spotřebu 0,1 W, při plném výkonu pak 12 W.

Model Philae s vyznačeným vrtným subsystémem SD2. V popředí lze rozeznat detaily ramene podstavce s kotvícím zařízením a souborem senzorů SESAME. Zdroj:ESA.

Spektrometr APXS (Alpha-Protone X-ray Spectrometer) měl být při řádném dosednutí Philae umístěný 4 cm nad povrchem. Tento systém, umožňující pomocí energetických částic určit složení prachu, je umístěný jak na Philae, tak na mateřské sondě Rosetta, a lze tak porovnávat výsledky z povrchu a oběžné dráhy.

Obrazový systém CIVA (Comet Infrared and Visible Analyser) zahrnuje dva experimenty. CIVA-P je tvořen sedmi identickými fotoaparáty, které umožňují vytváření panoramatických snímků. Dvojice z nich dokáže vytvářet i stereoskopické snímky místa přistání, které umožní vyhodnotit topografii a albedoAlbedo – míra odrazivosti povrchu tělesa. Jde o poměr dopadajícího a odraženého elektromagnetického záření vyjádřený zpravidla v procentech nebo desetinných číslech. Pokud není specifikováno jinak, jde o viditelné světlo a kolmý dopad. Například albedo sněhu je 90 % (0,9), albedo oceánů maximálně 10 % (0,1), Země má celkové albedo 31 % (0,31) a Měsíc 12 % (0,12). povrchu. CIVA-M jsou dva miniaturní mikroskopy, jeden ve viditelné části spektra, druhý v infračervené oblasti, které nedestruktivně posuzují texturu, albedo a minerální složení vzorků před zpracováním jinými systémy.

COSAC (COmetary SAmpling and Composition) je plynový chromatograf a hmotnostní spektrometr speciálně zaměřený na hledání organických látek ve vzorcích odebraných vrtnou sadou SD2. Po přistání modulu Philae byl COSAC vybrán ke zpracování vzorků, které prováděl do vyčerpání energie z primárních baterií. Chromatograf COSAC potvrdil přítomnost organických látek na kometě 67P.

Ptolemy je hmotnostní spektrometr cílený na lehké molekuly, zejména uhlík, dusík a kyslík a těkavé látky jako je voda, oxid uhličitý a vzácné plyny a rovněž lehké organické molekuly.

MUPUS (MUlti PUrpose Sensor for Surface and Subsurface Science) je tvořen řadou teplotních čidel umístěných na 35 centimetrů dlouhém kladivu sbíječky, která byla vysunuta z Philae a při zarážení kladiva do komety by z teplotního profilu bylo možné posuzovat konzistenci podloží a posléze by systém sledoval teplotní profil pod povrchem. Po přistání byl MUPUS aktivován, počáteční teplota −153 °C během půlhodiny klesla o deset stupňů. Přestože pracoval na plný výkon, podařilo se mu proniknout jen do hloubky několika milimetrů.

ROLIS (ROsetta Lander Imaging System) je miniaturní CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) kamerka umístěná na spodní stěně Philae, která zaznamenává sestup. Ve správné poloze Philae měla kontrolovat povrch pod sondou jako podpora vrtných systémů a APXS. Systém je doplněn řadou LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. osvětlujících povrch na různých vlnových délkách.

ROMAP (ROsetta lander Magnetometer And Plasma monitor) má senzory umístěné na 60 cm dlouhé tyči vysunuté z Philae. Obsahuje vektorový magnetometr měřící indukci magnetického pole ve třech kolmých směrech a detektor plazmatu s dvěma iontovými kanály do 8 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a elektronovým kanálem a Faradayovou pastí určující celkový náboj svazku částic.

CONSERT (COmet Nucleus Sounding Experiment by Radio-wave Transmission) je radiofrekvenční systém zkoumající vnitřní strukturu komety v součinnosti s mateřskou sondou. Rosetta vysílá rádiové vlny, které jsou po průchodu materiálem komety detekovány přijímačem na Philae.

Soubor SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiment) v sobě zahrnuje trojici nástrojů: CASSE (Comet Acoustic Surface Sounding Experiment) pro akustické snímání, DIM (Dust Impact Monitor) pro měření dopadu prachových částic a PP (Permitivity Probe) pro měření elektrických vlastností kometárního povrchu. Experiment CASSE je spolu se sondičkou PP umístěn na koncích ramen podstavce, Philae si vlastně svými ploskami nohou osahává terén, na kterém stojí. Vertikální polohu senzorů je možné nastavit, což zajistí dobrý kontakt i při poměrně členitému povrchu. Experiment CASSE může pracovat jak v pasivním režimu jako seismometr (registruje vlastní pohyby v kometě způsobené teplotním pnutím, dopadem částic a kometotřeseními), tak v aktivním režimu, kdy vysílá akustickou vlnu a snímá odezvu z podloží. Rovněž může snímat zvuky, které vytváří samo Philae. Rušení by mohl způsobovat systém MUPUS, který je vybaven sbíječkou, ale ten pracuje ve známé pozici vůči senzorům CASSE.

Rozmístění jednotlivých částí souboru SESAME na Philae. Zdroj: DLR.

Monitor prachu DIM má pomocí piezosenzorů ve třech navzájem kolmých směrech registrovat částice, které při sublimaci materiálu z komety budou v jejím gravitačním poli dopadat zpět na povrch. Analýzou tvaru vyvolaných deformačních vln na senzoru bude možné sledovat hmotnost, velikost a směr rychlosti a časový vývoj koncentrace prachových částic a úlomků ledu dopadajících zpět na kometu. Rozmezí poloměru detekovatelných částic je od 0,2 do 5 mm, rozmezí hmotností je od 30 μg do 0,5 g a rychlosti od 25 cm/s do 2 m/s.. Sondy PP měří kvadrupólovou metodou komplexní permitivitu, tedy jak vlastní permitivitu, tak i elektrickou vodivost. Cílem je sledovat obsah vody v povrchové vrstvě a jeho časové změny. V aktivním režimu využívá PP tři vysílače, jeden v noze podstavce, další jsou připojeny k systémům MUPUS a APXS. Přijímače jsou na zbývajících dvou nohách. V pasivním režimu může PP snímat plazmové vlny s frekvencemi až do 10 kHz, což bude významné při posuzování interakce plynů uvolňovaných z komety se slunečním větremSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. a při vyhodnocování aktivity komety.

MUPUS s hnědou mřížkou experimentu Permitivity Probe. Zdroj: DLR.

Náčrtek sondy Philae s rozmístěním měřicích zařízení. Zdroj Wikipedia.

S výjimkou základny a čelní stěny je povrch Philae pokryt fotovoltaickými články pokrývajícími celkovou plochu 2,2 m². Ve vzdálenosti 3 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. od Slunce jsou celkem schopny dodávat 32 W.

Náčrtek sondy Philae s rozmístěním měřících zařízení. Zdroj Wikipedia.

Dramatické přistání

Přistání Philae doprovázela řada nehod. Prvním z nich bylo selhání výpočetního systému, což bylo v předvečer přistání vyřešeno – jak jinak – restartem systému. Dalším problémem byl hrozící výpadek přistávacích dusíkových trysek, které měly po dosednutí přitlačit sondu ke kometě, zatímco ji vrtáky v nohách podstavce upevní k povrchu. Jelikož fixace ke kometě byla zároveň zabezpečena pomocí harpuny, bylo rozhodnuto, že se přistání uskuteční. Při přistání trysky skutečně nepracovaly. Aby toho nebylo málo, ani harpuna nevystřelila. Po přistání se Philae od komety odrazil a v jejím slabém gravitačním poli vyskočil zhruba kilometr vysoko. Zlí jazykové si pak neodpustili přirovnání pohybu Philae k trajektorii špuntu z lahve šampaňského otevřeného při oslavě přistání na kometě. Po dalším kontaktu s povrchem následoval další, již nižší skok. Naštěstí poté už Philae kometu neopustil. Skončil však v nedůstojné poloze na boku a navíc ve stínu skalnatého útesu, kam dopadá světlo jen půldruhé hodiny za dvanáct hodin. Rovněž komunikace s mateřskou lodí byla možná jen ve tří až čtyřhodinových časových oknech. Přesto systémy začaly pracovat a Philae využil svých zhruba šedesát hodin, které systémy sondy měly zajištěné z primárních baterií. Mezitím se z oběžné dráhy pátralo po přesném místě, kam Philae dopadl.

Kometa 67P s vyznačením místa Agilkia, původně plánovaného pro přistání. Směrem k hornímu okraji komety se nachází místo, kde sonda Philae po dvou skocích skončila. Zdroj. ESA.

Záběry z kamery OSIRIS zaznamenávající přistání Philae na kometě 67P. S dalším pohybem však záběry nepočítaly… Zdroj: ESA.

Co bude dál?

Co se týká Philae, nezbývá než čekat, až se kometa přiblíží ke Slunci natolik, aby i to málo světla, které se solárním panelům dostane, stačilo k dobití baterií a obnovení provozu. Uvidíme, nakolik se podaří sondu oživit. Optimistické odhady hovoří o březnu, takže se máme na co těšit. Ti největší optimisté si dokonce libují, že díky tomu, že bude Philae chráněn ve stínu, bude moci pracovat déle, než se původně plánovalo. Pokud jde o celou misi, Rosetta na oběžné dráze nezahálela. Ale o tom až někdy příště.

Animace týdne

Animace plánovaného přistání Philae na kometě 67P. Hudbu „Philae journey“, která animaci provází, složil speciálně pro tuto příležitost Vangelis. I přesto, že přistání nakonec nedopadlo podle plánu vinou dvojího technického selhání, sonda přistála na kometě a dokud jí to baterie umožňovaly, pustila se i přes nepříznivou polohu do práce a celou operaci lze považovat za velký úspěch evropské kosmonautiky. Zdroj: ESA. (flv/mp4/avc, 44 MB)

Odkazy