Stardust klar for gjennomflyvning av komet Wild 2

Av Erik Tronstad

Stardust underveis gjennom komaen rundt Wild 2. Fartsretningen er mot høyre, med sol­celle­pa­nelene på langs av den. (NASA)

Det amerikanske kometromfartøyet Stardust er snart fremme ved sitt hovedmål, kometen Wild 2. Stardust skal fly gjennom komaen rundt Wild 2, men ikke gjennom kometens hale. På det nærmeste skal Stardust passere omtrent 300 km fra kometkjernen, noe som skjer om lag klokken 20.40.35 norsk tid fredag 2. januar 2004.

Et hovedformål med passeringen er å fange inn støv i kometens koma med en spesiell fangarm. I enden av armen er et stykke såkalt aerogel, i form av en plate med en diameter på 35 cm. Platen skal senere returneres til Jorden. Her nede vil kometpartiklene bli «plukket» ut og deres kjemiske sammensetning analysert.

Strektegning av Stardust, sett på skrå ovenfra og fra siden. «Kroppen» i romfartøyet er 1,7 m lang, 0,66 m bred og 0,66 m dyp. Tegnforklaring: 1) Sol­celle­pa­neler, 2) parabolantenne (diameter 0,6 m), 3) plate med «aerogel», 4) kapsel for retur av innsamlede prøver til Jorden, 5) rakettmotorer til stillingskontroll og banejusteringer, 6) instrument for analyse av interplanetarisk støv og kometstøv, 7) festebrakett til bærerakettens øverste trinn, 8) Whipple-skjold (se hovedteksten). Det er Whipple-skjold både i den ene enden av hvert av de to sol­celle­pa­nelene og foran romfartøyets «kropp». Når innsamlingen av kometmateriale er ferdig, vil armen med «aerogelplaten» (3) bli svingt ned i til­bake­vendings­kap­selen (4). Sistnevnte vil så bli hermetisk lukket. De 4,8 m lange sol­celle­pa­nelene produserer 170-800 W med strøm, avhengig av avstanden fra Solen. Under passeringen av Wild 2 leverer de 330 W. (NASA/Erik Tronstad)

Strektegning av Stardust, sett rett nedenfra. Tegnforklaring: 1) Sol­celle­pa­neler, 2) instrument for analyse av interplanetarisk støv og kometstøv, 3) kapsel for retur av innsamlede prøver til Jorden, 4) navigasjonskamera, 5) stjernekameraer, 6) periskop, 7) Whipple-skjold. (NASA/Erik Tronstad)

Under passeringen vil et eget instrument foreta en kjemisk analyse av partikler som treffer det. Denne analysen vil ikke være så detaljert som den som kan gjøres i laboratorier på Jorden med returnert materiale. Et annet instrument skal måle størrelsen og mengden av forskjellige partikler i kometens koma.

Til bruk for navigasjonsformål, til å ta bilder av stjernefelter og av Wild 2 og omgivelsene, har Stardust et navigasjonskamera. Kameraet skal også brukes til å ta bilder av kometkjernen under nærpasseringen. Man regner med å få bilder som viser detaljer ned til en utstrekning på under 40 m, av den antatt 5,4 km store kometkjernen.

Siden 8. desember 2003 har Stardust hver dag tatt bilder av komet Wild 2 og stjernebakgrunnen rundt kometen (se Stardust har Wild 2 i sikte (eRomfart 2003-185)). Formålet er med størst mulig nøyaktighet å bestemme banen til Wild 2 og banene til kometen og Stardust i forhold til hverandre. Disse dataene skal brukes til å finjustere banen til Stardust, slik at man oppnår en passeringsavstand på omtrent 300 km.

En planlagt banejustering 31. desember 2003 skal sørge for at passeringsavstanden blir 300 km pluss/minus 50 km. Bare 18 timer før minsteavstanden mellom de to nås, har man mulighet for ytterligere en banejustering. De ansvarlige for Stardust skal møtes 12 timer før nærpasseringen for å gjøre de siste beregninger av minste passeringsavstand og tidspunktet for den. De siste kommandoene vil bli sendt til Stardust 8 timer før minste passeringsavstand nås. Deretter må Stardust greie seg selv gjennom passeringen.

Banene til Jorden, Stardust og komet Wild 2. Tegnforklaring: 1) Jordens posisjon da Stardust ble skutt opp 7. februar 1999, 2) Jordens posisjon da Stardust passerte Jorden 15. januar 2001 og fikk et gravitasjonsdytt, 3) Jordens posisjon når til­bake­vendings­kap­selen med prøver lander 15. januar 2006, 4) den røde ellipsen angir Stardusts første omløp rundt Solen, 5) de blå og grønne, nesten overlappende, ellipsene angir Stardusts andre og tredje omløp rundt Solen, 6) banen til komet Wild 2 rundt Solen, 7) i perioden mars-mai 2000 samlet Stardust inn interplanetarisk og interstellart støv langs en del av banen, 8) i perioden juli-desember 2002 samlet Stardust inn interplanetarisk og interstellart støv langs en annen del av banen, 9) Jordens bane rundt Solen, 10) strøm av interstellart støv gjennom Solsystemet, 11) posisjonen til Wild 2, når Stardust passerer gjennom kometens koma 2. januar 2004. (NASA/Erik Tronstad)

De siste timene før nærpasseringen, under og etter den må Stardust selv automatisk holde følge med hvor kometkjernen til Wild 2 er i synsfeltet, oppdatere sine egne banedata i forhold til kometkjernen og eventuelt justere kameravinkler. Teknikken som trenges for å greie dette, ble med stor suksess utprøvd da Stardust 2. november 2002 passerte 3300 km fra asteroiden Annefrank (se Stardust med vellykket asteroidepassering (eRomfart 2002-132)).

Stardust forventes å møte komaen rundt Wild 2 omtrent 5 timer før romfartøyet er nærmest kometkjernen. Avstanden til kometkjernen er da om lag 100 000 km.

Under første del av gjennomflyvningen av komaen vil Stardusts kamera ta bilder gjennom et slags periskop. Det er for at hovedoptikken i kameraet ikke skal bli skadet av støvpartikler som raser forbi. Når Stardust passerer nærmest kjernen i Wild 2, vil kometkjernen bli fulgt av et roterende speil. Det vil sørge for å reflektere lyset fra kometkjernen inn i kamerasystemet. Speilet roterer rundt bare én akse. Dermed kan det justere bildet av kometkjernen langs bare én retning i bildefeltet. For å kunne justere bildet av kometkjernen i to retninger i bildefeltet, må i tillegg hele romfartøyet rotere langs en akse.

Diagram som viser hvordan Stardust passerer Wild 2. Tegnforklaring: 1) Stardust, 2) kjernen i komet Wild 2 (den lille, gule ellipsen), 3) kameraet i Stardust må, ved hjelp av datamaskinen om bord, selv sørge for at kjernen i Wild 2 hele tiden er innenfor kameraets synsfelt under nærpasseringen, 4) det store, gråfargede, ellipseformede området angir komaen rundt Wild 2s kjerne, 5) målpunktet Stardust sikter mot, der passeringsavstanden til kjernen er på det minste (300 km), 6) fartsretningen til Stardust i forhold til Wild 2, 7) under hele passeringen sender Stardust ut radiosignaler, som på bakken vil bli brukt til å følge kometens ferd gjennom komaen. Ellipsen rundt målpunktet for Stardust (5) angir usikkerheten i posisjonen for Stardusts minsteavstand til kometkjernen. Som man ser av dette diagrammet, skal Stardust passere foran kjernen i Wild 2. Følgelig kommer romfartøyet ikke til å fly gjennom kometens hale, som strekker seg fra kometkjernen og på skrå oppover mot venstre på denne tegningen. (NASA/Erik Tronstad)

Fra omtrent 10 minutter før nærpasseringen vil datamaskinen om bord kontinuerlig beregne forskjellen mellom planet til dette speilet og romfartøyets plan. Avhengig av hvor stor forskjellen til enhver tid er, kommer datamaskinen til å kommandere Stardust til å rotere rundt lengeaksen. Slik sikrer man seg at kameraet hele tiden har kometkjernen sentralt plassert i synsfeltet. Alt dette må skje automatisk om bord i Stardust. Det er ikke mulig å sende navigasjonsdata tilbake til Jorden, bearbeide dem her og så sende kontrollkommandoer tilbake til Stardust. Stardust er over 300 millioner kilometer borte og radiosignaler mellom Stardust og Jorden bruker 20 minutter én vei.

På grunn av disse manøvrene vil Stardust ikke sende data tilbake til Jorden via romfartøyets parabolantenne i omtrent 12 minutter omkring minste passeringsavstand. Isteden vil en ren bærebølge bli sendt via romfartøyets rundstråleantenne. Ingen data vil da bli overført. Alle data fra de forskjellige instrumentene blir i denne perioden lagret om bord, i den 128 MB store hukommelsen i romfartøyets datamaskin.

Passeringshastigheten kommer til å være rundt 6 km/s (knapt 22 000 km/h). Selv om det høres mye ut, er det bare 1/10 av hastigheten som Giotto passerte kjernen i Halleys komet med våren 1986. Den nokså lave passeringshastigheten gjør at det vil bli tatt forholdsvis mange bilder og at de vil vise flere detaljer enn tidligere kometbilder. Dessuten blir det lettere å fange inn større støvpartikler, uten at de ødelegges eller at de ødelegger innsamlingsenheten.

Idet Stardust er nærmest kometkjernen, vil det bli tatt 60-70 svarthvittbilder av den. Kameraet om bord har filtere som kan benyttes til å ta fargebilder. Synsvinkel og avstand til kjernen endres imidlertid for raskt når avstanden til Stardust er på det minste, til at kameraet rekker å rotere filtere fort nok. Fra noe større avstand vil det bli tatt fargebilder. Fargene fra disse vil antakelig bli brukt til å fargelegge bilder tatt på det nærmeste.

Når de 12 minuttene nærmest minsteavstanden er passert, vil Stardust rotere tilbake til en stilling der parabolantennen igjen er rettet mot Jorden. Bilder og andre lagrede data vil nå bli overført til Jorden.

I verste fall kan man risikere at Stardust nærmest blir sandblåst under passeringen, selv om tettheten av støv fra Wild 2 neppe er stor nok til det. Dessuten har man tatt visse forholdsregler.

Under gjennomflyvningen av komaen vil Stardust fly med sol­celle­pa­nelene på langs av og parallelt med fartsretningen. I den enden av sol­celle­pa­nelene som vender fremover i fartsretningen, er det påmontert Whipple-skjold. Også foran romfartøyets «kropp» er det montert et Whipple-skjold.

Skjoldene har fått navn etter Fred Whipple, astronomen som i en artikkel i 1950 foreslo den modellen for kometers sammensetning som fortsatt anses for gyldig. Whipple foreslo at en kometkjerne nærmest er å sammenlikne med en skitten snøball. Den er en stor klump av forskjellige typer iser, der det er kittet inn støv og små steiner.

Hvert Whipple-skjold på Stardust består av flere parallelle lag med kunstfibermaterialer, som er motstandsdyktige mot partikkelkollisjoner. De skal absorbere energien fra partikkelkollisjoner, spre partiklene og hindre at de skader vitale deler av romfartøyet.

Selv om det kanskje ikke ser slik ut, er «aerogel» et fast stoff. (NASA)

En 2,5 kg tung murstein står på et stykke «aerogel», som selv bare veier 2 gram. (NASA)

«Aerogel» er en ypperlig isolator. Uten å antennes ligger fyrstikker på et stykke «aerogel», som varmes opp fra undersiden. (NASA)

Nærbilde av platen med innstøpt «aerogel», som skal fange inn støvpartikler fra komaen rundt Wild 2. «Aerogelet» er fordelt på omtrent 130 rektangler, som hvert er på 2 cm x 4 cm. (NASA)

For å fange inn partikler fra kometkomaen, skal Stardust bruke et meget spesielt stoff, kalt «aerogel». «Aerogel» er et fast stoff basert på silisium, med en porøs, svampliknende struktur, der hele 99 % av volumet er tomt rom. Stoffet lages ved at silisium i fin pulverform blandes i en kjemisk løsning. Blandingen plasseres i en form for å få ønsket form og tykkelse. Deretter trykkokes hele greia ved høy temperatur.

En kloss med «aerogel» ser ut som blekblå røyk i fast form. Ikke noe annet fast stoff har så liten tetthet som dette. «Aerogel» er en svært god isolator, ved at det leder både varme og lyd svært dårlig. Forsøk har vist at det er ypperlig egnet til å fange inn partikler i rommet, som treffer stoffet med høy hastighet. Slike forsøk er gjort både i laboratorier og i rommet på åtte romfergeferder.

På Stardust er det en stang, som i enden har en plate med 35 cm diameter. Til platen er det montert en skive med «aerogel», som står med flatsiden i fartsretningen. Når Stardust passerer gjennom komaen rundt Wild 2, kommer partikler i komaen til å treffe «aerogelskiven» med hastigheter på opptil 22 000 km/h.

Et problem med så store kollisjonshastigheter er både å unngå at partikkelen fordamper og å sikre at den bremses ned og forblir i «aerogelet». Når en partikkel raser inn i «aerogelet», varmes det opp til en temperatur på rundt 10 000 °C. «Aerogelet» nærmest rundt partikkelsporet vil faktisk smelte. Silisiumet der vil smelte til glass, som vil omgi og innkapsle partikkelen.

En partikkel som treffer «aerogelet», vil bli bremset helt ned og stoppe i løpet av 0,000001 sekund, og trenge mindre enn 3 cm inn i «aerogelskiven».

Partiklene som fanges inn i «aerogelet», vil være mindre enn sandkorn. Når slike partikler kolliderer med de fleste andre materialer, vil kollisjonen endre deres form og kjemiske sammensetning.. Det skjer ikke når de kolliderer med «aerogel». Da bremses de ned på en mykere måte, som beholder form og sammensetning. I «aerogelet» vil partikkelen etterlate et gulrotformet spor, med en lengde på omtrent 200 ganger partikkelens diameter. Partikkelen vil komme til ro i enden av sporet, innkapslet i glass.

«Aerogelet» i Stardust har en klar, vannliknende struktur. Med et stereomikroskop vil det være enkelt å se de gulrotformede sporene etter partiklene som har truffet og er blitt innfanget av aerogelet.

Forskerne regner med at Stardust vil fange inn partikler med størrelser fra 0,001 mm (omtrent 1/50 av tykkelsen på et menneskehår) til 0,1 mm (omtrent det dobbelte av tykkelsen på et menneskehår). Man forventer å få noen få partikler med den største størrelsen og noen millioner med den minste. De fleste analysene antas å bli gjort på 0,015 mm store partikler.

Den 35 cm store platen med «aerogel» på Stardust har to sider, A og B. B-siden har allerede vært brukt i to perioder, for å samle inn støvpartikler i det interplanetariske rommet, langs deler av Stardusts bane fra Jorden til Wild 2. Mens tykkelsen av «aerogelet» på B-siden er 1 cm, er den 3 cm på A-siden. Det er A-siden som skal brukes når Stardust flyr gjennom komaen rundt Wild 2.

Omtrent 5 timer etter passeringen av Wild 2, vil platen med «aerogel» bli svingt ned og inn i en kapsel. Den blir så stengt og forseglet. Kapselen har en diameter på 81 cm og veier knapt 46 kg, inkludert et fallskjermsystem og et varmeskjold.

Gulrotformede spor av partikler som er skutt inn i et stykke «aerogel» med en luftkanon. (NASA)

Stardust vil fortsette i sin bane rundt Solen i ytterligere to år. I januar 2006 vil Stardust igjen komme nær Jorden. Når Stardust er omtrent 110 000 km fra Jorden, vil til­bake­vendings­kap­selen bli koblet fra, fare ned i jordatmosfæren og lande i Utah 15. januar 2006. Moderromfartøyet vil passere forbi Jorden og gå inn i et «evig» kretsløp rundt Solen.

Her nede vil til­bake­vendings­kap­selen blir plukket opp og fraktet til et laboratorium. Der vil den bli åpnet. «Aerogelet» med prøver på både støv fra det interplanetariske rommet og fra komaen rundt Wild 2 vil bli tatt ut og prøvene analysert.

Komet Wild 2 har ikke tilbrakt særlig lang tid i de indre delene av Solsystemet. Frem til september 1974 gikk den i en bane mellom planetene Jupiter og Uranus. Så langt borte fra Solen var den lite påvirket av strålingen fra vår sentrale og livgivende stjerne.

Den 10. september 1974 brakte Wild 2s bane kometen så nær som 897 500 km fra Jupiter, noe som bare er drøyt det dobbelte av Månens avstand fra Jorden. Virkningen fra Jupiters kraftige gravitasjonsfelt endret i betydelig grad banen til Wild 2. For første gang ble den sendt innover, mot de indre delene av Solsystemet. Nå går kometen i en bane der den på det nærmeste er nesten like nær Solen som Mars, på det fjerneste er den ute ved Jupiter.

Komet Wild 2 ble oppdaget 6. januar 1978 av astronomen Paul Wild, da den var vel 180 millioner kilometer borte. Det var første gang at kometen kom forholdsvis nær Jorden etter baneendringen som Jupiter forårsaket.

Når en komet kommer nær Solen, varmes den opp og begynner å avgi gasser og støv. For hver gang en komet passerer forholdsvis nær Solen, mister den en del materiale. Før eller senere vil hele kometkjernen bli borte.

Etter at Wild 2 ble dyttet over i sin nye bane av Jupiter, har den bare vært fem ganger i de indre delene av Solsystemet. Dermed er den en forholdsvis «fersk» komet, som har det meste av sitt opprinnelige materiale i behold. Samtidig går kometen i en bane som kan nås med et romfartøy fra Jorden. Det er disse faktorene som gjør den til en interessant målkomet for Stardust.