استارداست: ماموریتی که برای همیشه درک ما از دنباله‌دارها را تغییر داد!!

دانشمندان بر این باور بودند که این فضاپیما در حال رسیدن به ستاره‌ها است، اما در عوض آنچه ستاره‌شناسان فکر می‌کردند در مورد دنباله‌دارها می‌دانستند، در هم شکست.

ماموریت استارداست ناسا به سه جهان کوچک پرواز کرد.

NASA/JPL-Caltech/University of Maryland/Cornell

در 7 فوریه 1999، یک موشک دلتا II از کیپ کاناورال در فلوریدا بلند شد. روی این موشک کاوشگر استارداست بدون سرنشین ناسا قرار داشت. ماموریت استارداست دیدار عازم دنباله‌دار Wild 2 بود.

استارداست به عنوان اولین فضاپیمایی طراحی شد که نمونه‌های دنباله‌دار را از آن سوی مدار ماه برمی‌گرداند. این فضاپیما از کمای دنباله‌دار عبور می‌کند – پوشش مه‌آلود یخ و غباری که جسم با گرم شدن ایجاد می‌شود – و جمع‌آوری می‌شود که بعداً برای مطالعه در یک کپسول نمونه خاص به دانشمندان بازگردانده می‌شود.

در طول مسیر، استارداست همچنین از سیارک آننفرانک و یک دنباله‌دار دوم به نام تمپل 1 بازدید کرد. نمونه‌های آن در 15 ژانویه 2006 به زمین بازگردانده شد. تصور می‌شد این ذرات قدیمی‌تر از منظومه شمسی ما هستند و حاوی بقایای مواد سازنده منظومه شمسی هستند، اما ماهیت واقعی آنها درک دانشمندان را از چگونگی بیشتر مواد سنگی تغییر داد.

اخیراً این فرصت را داشتم که با دکتر دونالد براونلی، محقق اصلی استارداست، در یک جلسه پرسش و پاسخ صحبت کنم تا به این مأموریت پیشگامانه نگاه کنم.

استارداست این تصویر از Wild 2 را در طول پرواز در 2 ژانویه 2004 ثبت کرد.

NASA/JPL-Caltech

DA: درباره آغاز ماموریت استارداست به ما بگویید: چگونه تصور شد و نقش شما در برنامه‌ریزی ماموریت چه بود؟

براونلی: قبل از بازگشت دنباله‌دار هالی در سال 1986، هیجان زیادی در میان دانشمندان فضایی آمریکایی وجود داشت که انتظار داشتند مأموریتی برای دیدار با آن بفرستند. اروپا یک کاوشگر فرستاد، شوروی دو و ژاپن دو نفر فرستاد، اما ایالات متحده نتوانست هیچ تلاشی را انجام دهد.

پیتر [تسو، از آزمایشگاه رانش جت (JPL)] و من فکر کردیم که ایده جمع‌آوری ذرات با سرعت بالا در فضا و بازگرداندن آنها به زمین بسیار مهم است و ما توسعه شدید فرآیندهای ضبط را آغاز کردیم. پس از آزمایش تعدادی از طرح‌ها، دستیابی به موفقیت، استفاده از سیلیکا ایروژل یک شیشه سیلیکا شفاف فوق‌ریز متخلخل بود که گاهی دود منجمد نامیده می‌شود که یک شبکه متخلخل از دانه‌های دی‌اکسید سیلیکون است که تنها حدود 3 نانومتر اندازه دارد. این یک ماده بسیار غیر معمول است که از شیشه ساخته شده است اما فقط کمی‌چگالتر از هوا است. آزمایشات نشان داد که مواد جامد را می‌توان با سرعت 3.7 مایل در ثانیه (6 کیلومتر در ثانیه) گرفت. آنها وارد شیشه می‌شوند و به آرامی متوقف می‌شوند و یک مسیر توخالی ایجاد می‌کنند که اغلب صدها برابر بیشتر از اندازه ذرات است.

در طول سال‌ها، ما مأموریت‌های متعددی را پیشنهاد کردیم… اما هیچ‌کدام برای تامین مالی انتخاب نشدند. هنگامی که فرصت چهارمین ماموریت کاوشگر ناسا [برنامه‌ای برای تامین مالی کاوشگرهای سیاره‌ای آغاز شده توسط محققین] اعلام شد، تصمیم گرفتیم [مأموریت استارداست] را پیشنهاد کنیم. در طول توسعه مفاهیم ماموریت، چن وان ین در JPL به کشف شگفت‌انگیزی دست یافت: با نوع مسیر و فضاپیمای موردنیاز برای مأموریت ما، می‌توانیم از کنار یک دنباله‌دار عبور کنیم، گرد و غبار را در نزدیکی پرواز جمع کنیم و به زمین بازگردیم. او متوجه شد که می‌توانیم به دنباله‌دار Wild 2 برویم و اولین [مأموریت] نمونه ناسا از زمان آپولو [17] در سال 1972 باشیم. ما برنامه‌ها را تغییر دادیم تا این مأموریت شامل مجموعه گرد و غبار دنباله‌دار و همچنین مجموعه‌ای از گرد و خاک بین ستاره‌ای باشد. ما از بین 28 پیشنهاد انتخاب شدیم.

DA: چرا گرد و غبار دنباله‌دار مورد توجه دانشمندان است؟ امیدوار بودید از تحلیل آن چه چیزی یاد بگیرید؟

براونلی: یافته اصلی این است که اجزای سنگی دنباله‌دار، بیشتر جرم کل آن، در دمای داغ قرمز تشکیل شده است. تشکیل دنباله‌دار شامل آتش و یخ بود. برخی از یخها در دمای نزدیک به صفر مطلق تشکیل شدند، اما مواد سنگی در شرایط گرم سفید تشکیل شدند. بسیاری از مواد موجود در دنباله‌دار در شهاب‌سنگ‌ها نیز یافت شده‌اند. دنباله‌دار وایلد 2 ترکیبی وسیع‌تر از اجزا است که نشان می‌دهد مواد از طیف وسیعی از مکان‌ها به خارج از پلوتو، جایی منتقل شده‌اند که دنباله‌دار شکل گرفته است. مواد سنگی عمدتاً در دماهای بالاتر از 1832 درجه فارنهایت (1000 درجه سانتیگراد) تشکیل شده‌اند و در زمان تشکیل هیچ گونه یخ یا ماده آلی روی آنها وجود نداشته است. مواد سیلیکات سنگی دنباله‌دار ابتدا تشکیل شدند، سپس با یخ و مواد آلی در مکانی به شدت سردتر جمع شدند که ثابت کرد که تشکیل غبار دنباله‌دار و یخ به وضوح جدا شده است. نمونه‌ها ثابت کردند که منظومه شمسی بیرونی از منظومه شمسی درونی جدا نیست و مواد به وضوح در مناطقی از نزدیک به خورشید تا مناطق فراتر از مدار پلوتو مخلوط می‌شوند.

DA: چرا دنباله‌دار Wild 2 به عنوان هدف ماموریت انتخاب شد؟

براونلی: به این دلیل انتخاب شد که در مداری قرار داشت که می‌توانستیم به آن برسیم، با سرعت نسبتاً آهسته 3.7 مایل در ثانیه (6 کیلومتر در ثانیه) پرواز کنیم و به خانه برسیم. این یک انتخاب عالی بود زیرا ویژگی‌های سطح ناهموار Wild 2 نشان می‌دهد که زمان کمتری را در منظومه شمسی درونی نسبت به سایر دنباله‌دارهای بازدید شده سپری کرده است.

دنباله‌دار با شکل نامنظم، آننفرانک در 2 نوامبر 2002 توسط استارداست بازدید شد.

NASA/JPL-Caltech

DA: نقش سیارک 5535 آننفرانک نسبت به ماموریت چه بود؟ از این اولین برخورد چه آموخته شد؟

براونلی: مشخص شد که با [یک] حداقل تغییر انرژی می‌توانیم از کنار آننفرانک عبور کنیم. برخی از تیم به این کار بسیار علاقه‌مند بودند، هم برای تصویربرداری از سیارک کوچک و هم برای انجام یک تمرین کامل برای پرواز دنباله‌دار آینده استفاده می‌شود. برخوردهای پروازی رویدادهایی هستند که همه چیز باید درست کار کند. هیچ شانسی برای بازگشت و تلاش مجدد وجود ندارد. مقر ناسا به ما گفت که این کار را انجام ندهیم و بسیاری از اعضای تیم در ابتدا با آن مخالف بودند زیرا خطرات احتمالی برای اهداف اصلی ماموریت ما وجود داشت. با گذشت زمان، عقاید تغییر کرد و حتی تمام افراد خارجی موافق بودند که این کار هوشمندانه است. پرواز آننفرانک این اطمینان را ایجاد کرد که ما می‌توانیم دنباله‌دار را از کنار خود خارج کنیم و بدنه را با دوربین ناوبری اپتیکال خود به طور مستقل ردیابی کنیم. در طول برخورد تنها کاری که می‌توانستیم انجام دهیم این بود که عکس بگیریم، اما تصاویر نشان داد که بدنه دو قسمت دارد. به نظر می‌رسد احتمال دارد که سیارک اصلی در اثر برخورد تکه تکه شده و دو قطعه اصلی دوباره به هم برخورد کنند.

DA: وقتی فضاپیما با Wild 2 مواجه شد کجا بودید؟ دیدن به سرانجام رسیدن ماموریت چگونه بود؟

براونلی: من در JPL در حال کنترل ماموریت بودم. این فضاپیما در منظومه شمسی بیرونی در سمت دیگر خورشید قرار داشت و در طول پرواز کاملاً مستقل بود. پس از ارسال آخرین دستورات، ما روی زمین فقط می‌توانستیم منتظر بمانیم تا تله‌متری، با تاخیری نزدیک به نیم ساعت به ما برسد. ما نمایشگر بزرگی از سیگنال حامل را تماشا کردیم و هنگامی که می‌توانستیم ببینیم که استارداست در نزدیک‌ترین فاصله‌اش با دنباله‌دار هنوز زنده است، فریاد بزرگی بلند شد و مردم با آسودگی بالا و پایین می‌پریدند. من احساس خوبی داشتم زیرا عدم اطمینان قابل توجهی در مورد خطری وجود داشت که سنگهای کوچک ایجاد می‌کردند. وقتی اولین عکسها برگشت، همه تعجب کردند. اولین تصویر حیرت‌انگیز بود و مطبوعات و همه افراد دیگر از آن غافل شدند.

بقایای یک ضربه شبیه‌سازی شده که ایروژل فضاپیما را آزمایش می‌کند. NASA/JPL

DA: درباره غبارگیرهای فضاپیما به ما بگویید. آئروژل چگونه کار می‌کرد؟

براونلی: کلکتور شبیه یک سینی مکعب یخ بسیار بزرگ است که به جای یخ با سیلیکا ایروژل بسیار کم چگالی پر شده است. آرایه راکتی شکل تنیس در طول پرواز نزدیک دنباله‌دار در معرض گرد و غبار دنباله‌دار قرار گرفت. هزاران ذره کوچکتر از چند دهم میلی‌متر با سرعت 3.7 مایل در ثانیه (6 کیلومتر در ثانیه) برخورد کردند و قبل از توقف حدود 100 قطر ذره به داخل آئروژل نفوذ کردند. ذرات قوی جامد، مسیرهای توخالی درازی ایجاد کردند. برخی از ذرات که ضعیف در کنار هم نگه داشته شده بودند، تکه تکه شدند و مسیرهای کوتاهتر اما وسیع‌تری ایجاد کردند. ذرات به سرعت کند شدند و تمام انرژی جنبشی خود را در یک میلیونیم ثانیه به داخل آئروژل ریختند. برخی از کوچک‌ترین ذرات و برخی از لبه‌های ذرات دنباله‌دار با این فرآیند ذوب شدند، اما بیشتر ذرات بزرگ‌تر از دو میکرون به خوبی حفظ شدند. ویژگی‌های کانی‌شناسی، ترکیبی و ایزوتوپی تا مقیاس‌های نزدیک به اتمی دست نخورده حفظ شدند.

استارداست در طول برخورد خود با تمپل 1 در 14 فوریه 2011، منطقه‌ای را بررسی کرد که در آن کاوشگر دیپ‌ایمپکت ناسا با سطح دنباله‌دار در سال 2005 برخورد کرد. NASA/JPL-Caltech/Univ. of Maryland

DA: ایده تغییر کاربری فضاپیما برای بازدید از دنباله‌دار تمپل 1 از کجا آمد؟ مهمترین یافته‌های علمی آن برخورد چه بود؟

براونلی: پروفسور جو وورکا در کرنل با موفقیت پیشنهاد کرد که از فضاپیمای ما برای پرواز به دنباله‌دار تمپل 1 استفاده کنیم و ببینیم که پس از برخورد بخشی از فضاپیمای عمیق با انرژی جنبشی تقریباً 5 تن TNT، چه تغییراتی رخ داده است. من در تیم بودم و با تلاش کارشناسان دوربین، تصاویر استریو فوق‌العاده‌ای از بخش‌هایی از دنباله‌دار که توسط دیپ‌ایمپکت دیده نمی‌شد، به دست آوردیم، مناطقی که به دلیل تبخیر طبیعی یخ به فضا تغییر کرده بودند و مهم‌تر از همه از دهانه برخوردی که توسط دیپ‌ایمپکت ایجاد شده است ما تصویربرداری کردیم.

DA: چرا به فضاپیما دستور داده شد تا سوخت خود را پس از برخورد تمپل 1 بسوزاند؟

براونلی: سوختی که در یک مخزن باقی می‌ماند یک مسئله حیاتی در بسیاری از مأموریت‌ها است. به جای اینکه اجازه دهیم سوخت باقیمانده در طول عملیات معمولی کروز تمام شود، جتها را روشن کردیم و تماشا کردیم تا سوخت تمام شود. گروه بزرگی در شرکت هوافضای لاکهید مارتین در دنور گرد هم آمدند تا این رویداد را تماشا کنند. یک نمایشگر بزرگ سرعت استارداست را هنگام شلیک موشکها نشان می‌داد.

استارداست کپسول نمونه خود را در 15 ژانویه 2006 به زمین بازگرداند. ناسا

DA : آیا می‌توانید در مورد تجربه خود در مورد بازیابی نمونه کلکتور به ما بگویید؟

براونلی: نیمه‌های شب کپسول در داگوی، یوتا، در صحرای غربی نزدیک دریاچه نمک بزرگ پیدا شد. ورود کپسول عجب بود. این [یک] گلوله آتشین قرمز درخشان با دمی درخشان بود که از غرب وارد می‌شد. داشت پایین می‌آمد و نزدیکتر می‌شد اما از زمین صفر به طرز عجیبی در آسمان بالا رفت. مردم در نزدیکی [شهر] وندور صدای بوم صوتی را شنیدند و یک هواپیمای ناسا تصاویری دیدنی دریافت کرد، همانطور که یک گروه فیلمبرداری از ژاپن روی زمین انجام دادند. من بیرون بودم تا گلوله آتشین را ببینم و سپس داخل رفتم تا تصاویر دستگاههای ردیاب را تماشا کنم. در تاریکی فرود آمد و چندین ساعت طول کشید تا آن را پیدا کنیم. خدمه هلیکوپتری ما آن را پیدا کرد و به یک اتاق تمیز مخصوص که برای آن آماده شده بود بازگردانده شد و در آنجا بازرسی شد و برای پرواز روز بعد به مرکز فضایی جانسون در هیوستون آماده شد.

DA : تجزیه و تحلیل ذرات غبار دنباله‌دار به ما چه گفت؟ یافته‌های اصلی چه بود؟

براونلی: یافته اصلی این است که اجزای سنگی دنباله‌دار، بیشتر جرم کل آن، در دمای داغ قرمز تشکیل شده است. تشکیل دنباله‌دار شامل آتش و یخ بود. برخی از یخ‌ها در دمای نزدیک به صفر مطلق تشکیل شدند، اما مواد سنگی در شرایط گرم سفید تشکیل شدند. بسیاری از مواد موجود در دنباله‌دار در شهاب‌سنگ‌ها نیز یافت شده‌اند. دنباله‌دار وایلد 2 ترکیبی وسیع‌تر از اجزا است که نشان می‌دهد مواد از طیف وسیعی از مکان‌ها به خارج از پلوتون، جایی که دنباله‌دار شکل گرفته، منتقل شده‌اند. مواد سنگی عمدتاً در دماهای بالاتر از 1832 درجه فارنهایت (1000 درجه سانتیگراد) تشکیل شده‌اند و در زمان تشکیل هیچ گونه یخ یا ماده آلی روی آنها وجود نداشته است. مواد سیلیکات سنگی دنباله‌دار ابتدا تشکیل شدند، سپس با یخ و مواد آلی در مکانی به شدت سردتر جمع شدند. این ثابت کرد که تشکیل غبار دنباله‌دار و یخ به وضوح جدا شده است. نمونه‌ها ثابت کردند که منظومه شمسی بیرونی از منظومه شمسی درونی جدا نیست و مواد به وضوح در مناطقی از نزدیک به خورشید تا مناطق فراتر از مدار پلوتو مخلوط می‌شوند.

DA: با نگاهی به ماموریت این همه سال بعد، بهترین خاطره شما از این تجربه چیست؟

براونلی: پرتاب یک تجربه کاملا شگفت انگیز است که ماموریت خود شما باشد. من پرتاب را از فاصله 1 مایلی (1.6 کیلومتری) تماشا کردم، آنقدر واضح بود که می‌توانستیم 4 موتور موشک جامد را جدا و با چشم غیرمسلح ببینیم.

پرواز: تنش باورنکردنی بود. مهم نیست که چقدر مراقب باشید، کاوش فضایی مستلزم ریسک بوده و ناشناخته است، شما درگیر یک بازی عجیب رولت روسی هستید. در طول کل ماموریت، [من] در طول روز مانند خود را مانند یک سرباز در ساحل احساس می‌کردم. گلوله‌ها در اطراف شما می‌چرخند و شما امیدوارید که گلوله به شما اصابت نکند.

ورود و بازیابی اتمسفر: پرتاب آنقدر الهام‌بخش بود که بسیاری اشک در چشمانشان حلقه زد.

باز کردن کلکتور: ما کلکتور را در یک اتاق تمیز ویژه در مرکز فضایی جانسون باز کردیم. مایک زولنسکی و من تنها کسانی بودیم که دقیقاً در کنار آن قرار داشتیم و وقتی آرایه آئروژل بالاخره در معرض دید قرار گرفت، از پشت به آن نگاه می‌کردیم. ما نتوانستیم ضربه‌ها را ببینیم و آئروژل حتی بهتر از قبل از پرتاب به نظر می‌رسید. ما تعجب کردیم که آیا کلکتور واقعاً باز شده است؟ ما عصبی بودیم، اما احساس می‌کردیم می‌توانیم برخی از ردهای عکسبرداری را ببینیم، اما مطمئن نبودیم، زیرا از پشت 1.6 اینچ (4 سانتی‌متری) آئروژل نگاه می‌کردیم. وقتی کلکتور بالا رفت، ما ‌توانستیم فوراً آهنگ‌های ضبط را به وضوح ببینیم.

احتمالاً بزرگترین هیجان من در این مأموریت ارائه اولین نتایج تجزیه و تحلیل نمونه در کنفرانس سالانه علوم قمری و سیاره‌ای تنها 3 ماه پس از فرود بود. وقتی نتایج را به 600 نفری که در اتاق جمع شده بودند نشان دادم، می‌توانستید صدای نفس‌ها را بشنوید. ما به سراغ نوعی جسم رفته بودیم که به خاطر یخهایش مشهور است، جسمی که گمان می‌رفت بر گرد و غبار آن مواد جامد تشکیل شده در اطراف ستارگان دیگر غالب است. ما متوجه شده بودیم که این ماده حاوی بالاترین دمایی است که می‌توانست در منظومه شمسی وجود داشته باشد. یافتن چنین ماده‌ای در یک دنباله‌دار انقلابی برای خود بود. مأموریت ساده ما نمونه‌هایی را به زمین بازگردانده بود که چیزهایی درباره دنباله‌دارهایی به ما می‌گفتند که هرگز نمی‌توانستند با روش‌های سنجش از دور شناخته شوند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Stardust: The mission that forever changed our understanding of comets

By Doug Adler  |  Published: Saturday, January 15, 2022

https://astronomy.com/news/2022/01/stardust-the-mission-that-forever-changed-our-understanding-of-comets