Ferder til asteroidene

Av Einar Løberg

Med unntak av den fjerntliggende Pluto vil asteroidene være de eneste legemene i vårt solsystem som vil være uutforsket av romsonder mot slutten av dette tiåret. Selv om deres totale masse er liten, ca 1 % av Jordens masse, så er asteroidene av stor viktighet for vår forståelse av Solsystemet. De markerer overgangen mellom de steinete jordlignende planetene og de store gassgigantene i den ytre delen av Solsystemet, og hvis de nåværende teorier om Solsystemet er korrekte, så tilbyr asteroidene oss en enestående anledning til å studere Solsystemets tidlige historie. Vitenskapsmenn på begge sider av Atlanterhavet blir mer og mer interesserte i å sende romsonder avsted for å utforske asteroidene, og de har nå klare planer for hvilke oppgaver disse romsondene skal utføre.

Selv om man ikke kjenner de nøyaktige detaljene, så tror mange astronomer at Solsystemet ble dannet da en stor sky av gass og støv gjennomgikk en kollaps. Kollapsen førte til at temperaturen i sentrum av denne soltåken steg inntil termonukleære (kjernefysiske) reaksjoner kunne begynne, og dermed ble det dannet en ny stjerne. Videre ut i skyen kondenserte lokale konsentrasjoner av gass og støv seg til små protoplaneter. Den gjensidige gravitasjonen mellom disse objektene førte til at de falt sammen for derved å danne de planetene og månene som vi i dag kjenner. De kraterdekkede overflatene som finnes gjennom hele Solsystemet, bærer vitnesbyrd om sluttstadiene i denne prosessen.

Asteroidene er små steinete legemer hvorav de fleste befinner seg i baner mellom Mars og Jupiter. Radiene til disse asteroidebanene er ca to til fire ganger så store som jordbanens radius. Andre asteroider følger eksentriske baner, som for eksempel Apollo- og Amor-asteroidene som passerer nær Jorden og Mars, og Trojan-asteroidene, som befinner seg i samme bane som Jupiter, men et stykke foran og bak planeten. En annen type asteroider befinner seg lengre ut i rommet. Et eksempel på dette er Chiron, som befinner seg utenfor Saturn.

Heinrich Olbers, som oppdaget asteroiden Pallas i 1802, trodde at asteroidene var restene av en sprengt planet. I dag tror imidlertid de fleste planetologer at det motsatte er tilfelle, nemlig at asteroidene er protoplaneter som mislyktes i å samle seg sammen til et større legeme. Hvis dette er tilfelle, så kan asteroidene tilby oss et glimt av Solsystemets tidlige historie, for i motsetning til planetene, så har de fleste asteroider forandret seg svært lite etter sin dannelse.

De store, steinete legemene i Solsystemet er differensierte. Varme som utvikles ved gravitasjon og ved nedbrytning av radioaktive isotoper som befinner seg inne i planeten, har forårsaket smelting og derved ført til at tunge elementer har sunket ned til sentrum og etterlatt en skorpe som flyter på toppen. Geologiske krefter, meteorittbombardement og i noen tilfeller effekter fra atmosfæren har videre modifisert overflaten til mange av disse planetene. Den lille størrelsen til mange av asteroidene har utelukket differensiering slik at noen av disse objektene har bevart informasjon om den opprinnelige soltåken, slik den var for ca 4,5 milliarder år siden. Den eneste modifisering av betydning har forekommet når asteroider har kollidert med hverandre.

Ytterligere vitenskapelig interesse har knyttet seg til en spesiell underklasse av asteroidene, nemlig Apollo-, Amor- og Aten-asteroidene, fordi deres baner bringer dem i nærheten av Jorden eller Mars. Disse små asteroidene, som kalles for jordbanekryssere, er ofte mindre enn ti kilometer i diameter og følger baner som er mer typiske for kortperiodiske kometer enn for hovedbelteasteroider. Denne likheten har ledet noen planetologer til å foreslå at disse asteroidene er kometkjerner der all flyktig is er blitt fjernet ved gjentatte passeringer nær Solen. Selv om denne tilknytningen til kometer bare hevdes av en minoritet, har teorien fått støtte ved identifiseringen av en ny asteroide ved hjelp av satellitten IRAS. Jordbanekryssere kan også ha nær sammenheng med meteoritter siden de tre meteorittene astronomene har vært i stand til nøyaktig å beregne banene til, fulgte baner som er like banene til Apollo- og Amor-objektene før de ble avbøyet av Jorden. Til slutt kan nevnes at disse jordbanekryssende asteroidene kan representere en fremtidig kilde til råmateriale, siden det kreves mindre energi å besøke og returnere fra dem enn det som trengs for ferder til planetene.

Da astronomene begynte å bruke fotografering i sitt arbeide rundt århundreskiftet, oppdaget de mange asteroider, men asteroidevitenskapen sovnet hen i nesten et halvt århundre, inntil astronomene begynte å anvende 1960- og 1970-årenes teknologi. Forskere kan nå kombinere infrarøde og visuelle observasjoner for å skaffe til veie nye overslag over asteroidenes diametre, og de har nå revidert oppover tidligere verdier basert på objektenes lysstyrke. Astronomene kan bestemme rotasjonshastigheter og asteroideoverflatenes natur ved å måle intensiteten og polariseringen av lys som de reflekterer. Ved å sammenligne smalbåndspektrofotometri av asteroidene med spektra fra meteoritter og jordiske mineraler, kan vitenskapsmenn få en bedre forståelse av overflatemineralogien til asteroidene. Forskjellige observasjoner har vist at det er minst seks forskjellige typer av asteroider, noe som avslører at asteroidebeltet er et område av uventet kompleksitet og stor vitenskapelig interesse. Tiden er nå derfor inne til å skyte opp en ubemannet romsonde for å utforske asteroidebeltet.

Både ESA og NASA har allerede drøftet de vitenskapelige målene for en ferd til asteroidene. Et høyt prioritert mål er å bestemme nøyaktig form og masse til flere asteroider, fordi dette vil sette astronomene i stand til å beregne tettheten av materialet som utgjør objektet. Detaljert fotografering på kloss hold vil hjelpe oss til å få en bedre forståelse av geologien til disse smålegemene, og ved å studere størrelsen og fordelingen til kraterne kan det kastes lys over objektenes kollisjonshistorie. Av interesse er også overflatenes mineralogiske natur samt deres nøyaktige isotopiske sammensetning. Kunnskap om de relative forekomster av radioisotoper som brytes ned ved forskjellige hastigheter vil gjøre det mulig å datere objektene nøyaktig og studere hvordan de ble dannet.

Minst seks hovedtyper av asteroider eksisterer, og det ser ikke ut til at det eksisterer noe slikt som en typisk asteroide. En innledende ferd burde derfor forsøke å undersøke flere forskjellige objekter, helst ett av hver type. ESA forkastet i 1981 en asteroideferd kalt Asterex. Uforstyrret av dette satte en gruppe europeiske vitenskapsmenn fram et nytt forslag kalt AGORA, som ESA i 1982 aksepterte for et mulig studium.

AGORA, som er en forkortelse for Asteroide Gravitasjon Optisk og Radar Analyse, utgjøres av en romsonde som vil være i stand til å fly forbi tre hovedbelteasteroider under en ferd som er beregnet å vare fra tre til fem år. Romsonden vil bli i stand til å fly forbi hver asteroide innenfor en avstand på 500 km med en fart på seks til syv kilometer per sekund relativt til asteroiden. Forslaget går ut på å undersøke små og mellomstore asteroider med diametre på fra 30 til 100 km.

AGORA-sonden vil kunne ta med eksperimenter for bruk både under nærpasseringene og den interplanetariske ferden. De tre hovedeksperimentene vil bestå av et vidvinkelkamera som skal brukes til å navigere romsonden og til å fotografere asteroidene på kloss hold, et infrarødt spektrometer for å undersøke sammensetningen av asteroidenes overflate og en høyoppløselig pulskomprimerende radar. Radaren vil bli brukt til både å bestemme banen til sonden under passering av asteroidene og til å følge en liten radarreflektor. Radarreflektoren vil bli frigitt ca to dager før en nærpassering slik at den vil bevege seg i en bane mellom sonden og asteroiden. Etter hvert som man undersøker hvordan gravitasjonsfeltet påvirker reflektorens bane, vil astronomene bli i stand til å beregne asteroidens masse med høy nøyaktighet.

En europeisk Ariane 4 bærerakett kan skyte opp AGORA senere i dette tiåret. Etter innledende banejusteringer og tester vil romsonden fly mot asteroidebeltet. Etter hvert som sonden nærmer seg målet, vil ESA-kontrollørene bruke kameraet for å lokalisere asteroiden og foreta de siste korreksjonene av sondens kurs. To dager før nærmeste passering vil sonden frigjøre radarreflektoren og undersøke dens avstand ved hjelp av radar i ca 20 timer, og igjen én time før nærpassasjen. To dager etter vil sonden utføre en tredje måling. Under selve forbipasseringen vil kameraet og det infrarødt spektrometeret sveipe over asteroidens overflate mens radaren måler den nøyaktige avstand til bruk i analyser som skal foretas etter passeringen.

Sonden vil avspille dataene som den har registrert under forbiflygningen, til følgestasjonen, som opereres av det tyske romforskningsbyrået i Weilheim i nærheten av München. Weilheim-antennen er en av de få som er i stand til å følge sonder langt ute i rommet. Mot slutten av den første forbipasseringen vil ESA-kontrollørene korrigere sondens bane for å sende den inn i riktig bane for neste passering. AGORA-ferden er beregnet å vare i minst fire år, avhengig av banens nøyaktighet. Sonden vil være en logisk etterfølger til ESAs Giotto-ferd til Halleys komet.

I USA har NASA vurdert flere typer asteroideferder, men den senere tids finansielle vanskeligheter har ledet til en ny filosofi der det skal satses på enkle, billige planetsonder basert på teknologi som allerede har vært utprøvd. Et eksempel på dette er et studium foretatt av NASA/RCA for å bruke en modifisert TIROS værsatellitt som skal foreta et rendezvous med en jordbanekryssende asteroide av Apollo/Amor-typen.

Selv om det kan forekomme noe merkelig at en jordbanekretsende meteorologisk satellitt lett kan modifiseres til å foreta en risikabel ferd langt ut i rommet, er de fundamentale krav til hver ferd like. Asteroideferden vil bruke det opprinnelige TIROS-romfartøyet med dets kraftforsyningssystem, termiske kontrollsystem og kommandosystem, bare litt forandret. Asteroidekartleggingsinstrumentene, som består av røntgen- og gammastrålespektrometre, en multispektral sveiper, høydemåler, fjernsynskamera og magnetometer, vil lett kunne erstatte det normale TIROS-utstyret, fordi det er lettere og krever mindre plass. To komponenter vil imidlertid kreve omfattende forandringer, nemlig kommunikasjonssystemet, som må kunne operere over langt større avstander og stillingskontroll- og framdriftssystemene for kurskorreksjoner og navigasjon i det ytre rom.

Ferden vil begynne med utplassering fra romfergen og sonden vil deretter bli sendt ut av jordbane og nå asteroidebeltet ved hjelp av et ekstra rakett-trinn. Selve ferden mot målet vil ta fra tre måneder til ett år, avhengig av hvilken asteroide som blir valgt. Mens sonden fortsatt er tilstrekkelig langt fra asteroiden til ikke å bli påvirket av dens gravitasjonsfelt, vil NASAs ingeniører manøvrere sonden inn i den samme bane rundt Solen som den asteroiden følger. Så fort alle eksperimentene er blitt sjekket ut, vil sonden langsomt nærme seg sitt mål og utføre omfattende vitenskapelige observasjoner under den ukelange innflygningsfasen. Gravitasjonsfeltet til en liten asteroide er så svakt at sonden kan foreta flere nære forbipasseringer uten å bruke for mye drivstoff før den kommer inn i kretsløp rundt den nå fullt kartlagte asteroiden.

Fra denne banen vil røntgen- og gammastrålespektrometre undersøke den kjemiske sammensetningen av asteroidens overflate før ferden kommer inn i sin siste fase. Denne fasen vil bestå i å bremse sonden slik at den faller fritt ned mot asteroidens overflate. Med jevne mellomrom vil man i denne fasen kunne stoppe sonden ved å bruke dens stillingskontrollmotorer for derved å kunne fotografere asteroiden på kloss hold. En myklanding vil eventuelt bli forsøkt, men siden sonden ikke vil være utstyrt med noe landingsunderstell, så ville en bedre beskrivelse av denne operasjonen være «en kontrollert krasjlanding». Landingsforsøket vil ikke ha noen vitenskapelige mål, det vil simpelthen være en ingeniørtest for en framtidig ferd.

Hvilken vei til asteroidene bør følges? Historisk sett har utforskningen av planetene fra rommet foregått i tre faser, nemlig ved forbiflygninger, kretsløpferder og myklandinger. De innledende ferdene, slik som de tidlige Mariner-ferdene, var begrenset til raske forbipasseringer som skaffet til veie nøyaktige målinger for bare et kort tidsrom. Vanligvis vil en kretsløpsonde av typen Mariner 9 følge opp disse innledende ferdene. Slike romsonder er i drift lenge nok til at man kan kartlegge hele planeten i detalj, studere dens sammensetning fra bane og måle dens gravitasjonsfelt. Den tredje fasen består i å myklande sofistikerte instrumenter som er i stand til å analysere overflaten i detalj, og et eksempel på dette er Viking. I planleggingen av en ferd til asteroidene må alle disse tre muligheter vurderes.

En myklandingsferd, enten den omfatter retur av en overflateprøve eller ikke, ville være den beste måten å studere enhver asteroide i detalj på. Den innebærer også den største tekniske utfordringen og derfor også den største regningen. Det er også andre vanskeligheter forbundet med myklandingsferder, ved at de mange forskjellige typer av asteroider gjør at det er vanskelig å velge ut et passende mål. Mangel på detaljert informasjon om overflatens morfologi kompliserer romsondens oppgave. Et tilleggsproblem eksisterer også: Mange meteoritter antas å stamme fra asteroidebeltet og hvis den prøven som eventuelt ble brakt tilbake skulle vise seg å være identisk med en vanlig meteoritt-type, kunne det bli politisk pinelig for ferdplanleggerne. Disse betraktningene sett under ett utelukker en myklanding, i det minste for den første asteroideferden.

Rendezvous med en asteroide (dette uttrykket brukes enten romsonden går inn i bane rundt objektet eller ikke) skaffer til veie en mulighet for å utføre mange vitenskapelige observasjoner i detalj under den lange tiden som romsonden tilbringer ved målet. Kretsløpferder kan foreta fotografering med høy oppløsning av hele overflaten som kan brukes av astronomer til å bygge opp detaljerte konturkart. Nøyaktig beregning av sondens bane kombinert med bruk av radarhøydemålinger kan brukes til å bestemme asteroidens masse og dermed dens tetthet og detaljer om dens gravitasjonsfelt. Dette tillater en bedre beskrivelse av asteroidens indre struktur, noe som er vitalt for å forstå dens opprinnelse.

Fra bane kan de relative forekomstene av et mangfold av elementer bestemmes ved røntgen- og gammastrålespektroskopi, en teknikk som ble brukt av de siste Apollo-ekspedisjonene. Kombinert med detaljert infrarød spektroskopi kan dette gi en god forståelse av asteroideoverflatens mineralogi.

Et rendezvous med en asteroide krever en god del energi, spesielt når det er ønskelig å foreta rendezvous med mer enn én asteroide. Eksisterende kjemiske framdriftssystemer kan bare sørge for å bringe en sonde inn i bane rundt én asteroide. Senere rendezvouser med et annet objekt ville da være umulig. Ingeniører kunne overvinne dette problemet ved å utstyre sonden med en ionerakettmotor som bruker solceller til å skaffe til veie elektrisk kraft og dermed lav skyvkraft over svært lange perioder. En romsonde utstyrt med et slikt framdriftssystem kunne foreta rendezvous med fem eller flere asteroider med et mellomrom på 20 måneder mellom hvert møte. Den eneste ulempen ved en slik ferd ville være dens varighet, en slik ferd ville kunne strekke seg over et tiår eller mer.

En forbipassering av en asteroide er den enkleste av de eksisterende muligheter og har den fordelen at den kan benytte eksisterende framdriftssystemer som kan skaffe til veie tilstrekkelig energi for en sonde som skal besøke og undersøke flere asteroider på en enkelt ferd. Under forbipasseringen vil sonden bevege seg med en hastighet på fem kilometer per sekund relativt til asteroiden og derved tillate at mesteparten av asteroiden fotograferes med en oppløsning på ti kilometer eller bedre, hvorav utvalgte områder kan dekkes med en oppløsning på én kilometer. Denne oppløsningen skulle være tilstrekkelig til å foreta et grunnleggende studium av en stor asteroides geologi, men vil være for dårlig for mindre objekter. En bestemmelse av en asteroides masse, noe som også er av stor vitenskapelig verdi, er vanskeligere for mindre objekter siden de ikke påvirker romsondens bane tilstrekkelig for jordbasert følging. Kjemiske studier av en asteroideoverflate er også begrenset ved en rask forbiflygning. Observasjoner i infrarødt vil være mulig, men det blir ikke tilstrekkelig tid til å foreta røntgen- og gammastrålespektroskopi på nært hold.