Deep Impact skal kollidere med en komet

Av Erik Tronstad

Til høyre svever mo­der­rom­far­tøyet til Deep Impact. Omtrent midt i bildet slynges materiale ut fra kometkjernen i Tempel 1, etter at kollisjonsromfartøyet har kollidert med den. (NASA/Pat Rawlings)

Om mindre enn ett halvt år skal NASAs kometromfartøy Deep Impact styres til en kollisjon med den 6 km store kjernen i komet Tempel 1. Forskerne håper at kollisjonen skal sende ut en sky av friskt kometmateriale, som kan observeres av et følgeromfartøy. Slik håper man å få data om hva som skjuler seg under overflaten på en kometkjerne.

Deep Impact skal skytes opp klokken 19.47.08 norsk tid onsdag 12. januar 2004, med en Delta 2-bærerakett fra opp­skyt­ings­platt­form 17B ved Cape Canaveral Air Force Station i Florida, USA.

Delta 2 forekommer i flere varianter. Rundt det første trinnet på denne skal det være ni faststoffmotorer. Seks av dem starter idet bæreraketten løfter seg fra oppskytingsrampen. De tre siste startes idet de seks første er utbrent og kobles fra. Det andre trinnet har en motor som kan startes mer enn én gang. Øverst er et trinn av typen Star 48, med faststoffmotor.

Siste frist for å skyte opp Deep Impact er 28. januar 2005. Om romfartøyet ikke er skutt opp til da, må hele prosjektet utsettes.

Den røde ellipsen angir banen til komet Tempel 1, den blå til Jorden. Tempel 1 går i en bane mellom banene til Mars og Jupter. 1) Tempel 1s posisjon idet Deep Impact skytes opp, 2) Jordens posisjon idet Deep Impact skytes opp, 3) Tempel 1s posisjon idet Deep Impact kolliderer med Tempel 1, 4) Jordens posisjon idet Deep Impact kolliderer med Tempel 1. (NASA/Erik Tronstad)

Målkometen for Deep Impact, Tempel 1, ble oppdaget 3. april 1867 av Ernst Wilhelm Leberecht Tempel i Marseilles, Frankrike. Tempel 1 er en kortperiodisk komet, som går i bane mellom Mars og Jupiter. Omløpstiden er 5,5 år. Jordbaserte observasjoner tyder på at kometkjernen har en rotasjonstid på 41 timer om egen akse.

Romfartøyene

Deep Impact består av to romfartøyer, et mo­der­rom­far­tøy og det vi kan kalle et kollisjonsromfartøy.

Strektegning av Deep Impact. 1) Sol­celle­pa­neler, 2) Parabolantenne, 3) Rundstråleantenne, 4) Kollisjonsromfartøyet, 5) 30 cm teleskopkamera, 6) 12 cm teleskopkamera. (NASA/Erik Tronstad)

Mo­der­rom­far­tøyet er 3,3 m langt, 1,7 m bredt og 2,3 m høyt. Ved oppskytingen veier det 601 kg, hvorav 86 kg er drivstoff. Sol­celle­pa­neler på 2,8 m x 2,8 m leverer opptil 92 W med strøm, avhengig av avstanden fra Solen. Dessuten har romfartøyet et oppladbart nikkelhydrogen-batteri, med en kapasitet på 16 Ah. Batteriet trenges når sol­celle­pa­nelene er vendt bort fra Solen og en gang når mo­der­rom­far­tøyet formørkes av Solen.

Deep Impact klargjøres for montering til bæreraketten. (Ball Aerospace)

Hvert romfartøy har sitt eget na­vi­ga­sjons­sys­tem, sitt eget system for stillingskontroll og sitt eget system for både mottak av og sending av data. Kollisjonsromfartøyet har enklere versjoner av disse systemene enn mo­der­rom­far­tøyet og færre reservesystemer. Hvert romfartøy vil bruke sitt eget na­vi­ga­sjons­sys­tem til å finne komet Tempel 1.

Mo­der­rom­far­tøyet har en bevegelig parabolantenne for høy­has­tig­hets­kom­mu­ni­ka­sjon og to fastmonterte rundstråleantenner. Data fra mo­der­rom­far­tøyet overføres til Jorden med en frekvens på 8 GHz. Kollisjonsfartøyet sender til moderfartøyet på en annen frekvens.

Bare to instrumenter er om bord i mo­der­rom­far­tøyet, begge er teleskopkameraer. Høyoppløsningskameraet består av et teleskop med 30 cm diameter. Det er et av de største instrumenter som noen gang er benyttet om bord i et interplanetarisk romfartøy. Lyset det fanger inn sendes både til et kamera og et infrarødt spektrometer. Kameraet er flerspektralt, hvilket betyr at det kan registrere stråling på mange forskjellige bølgelengder.

Når mo­der­rom­far­tøyet er 700 km fra kometkjernen, kan høyoppløsningskameraet ta bilder med en oppløsning på 2 m.

Det andre kameraet har et mindre teleskop, med 12 cm diameter. Med et større synsfelt kan det bedre observere alt materialet som slynges ut i kollisjonen. Kameraet kan også observere et større stjernefelt rundt kometkjernen. De siste 10 døgnene av ferden inn mot kometkjernen er det derfor bedre egnet til navigasjonsformål. Fra 700 km avstand tar det bilder med en oppløsning på 10 m.

Disse instrumentene har to formål:

1. Under første del av ferden skal de brukes til å styre de to romfartøyene inn på kollisjonskurs med kjernen i komet Tempel 1.
2. I kollisjonsfasen skal de observere kometkjernen før, under og etter kollisjonen. I dette inngår observasjoner av utkastmaterialet, materialet som slynges ut fra kometkjernen i kollisjonen. Krateret som dannes, skal også observeres, samt området rundt det på kometoverflaten.

Kollisjonsromfartøyet fra Deep Impact måler 1 m i diameter, er 1 m høyt og veier 372 kg, hvorav 8 kg er drivstoff og 133 kg er «dødvekt». Formålet med dødvekten er å bidra til at det lages et stort krater i kometkjernen. Fartøyet har et ikke oppladbart batteri på 250 Ah. Under oppskytingen og under ferden ut til komet Tempel 1 er kollisjonsromfartøyet montert til mo­der­rom­far­tøyet.

Delvis gjennomskåret tegning av kollisjonsromfartøyet. (NASA)

Dødvekten i kollisjonsromfartøyet er av kobber. Årsaken er at kobber har få og klare spektrallinjer og at kobber ikke er et stoff man forventer å finne i en kometkjerne. I spektra fra mo­der­rom­far­tøyet vil det derfor være enkelt å identifisere spektrallinjer som skyldes kobberet i kollisjonsromfartøyet.

Ved hjelp av små rakettmotorer kan kollisjonsromfartøyet finjustere banen sin, for å treffe kometkjernen. Navigasjonsdata kommer fra det eneste instrumentet om bord, et 12 cm teleskopkamera som er helt identisk med det i mo­der­rom­far­tøyet.

Med dette kameraet vil det også bli tatt bilder av kometkjernen til like før kollisjonen. Teoretisk vil kameraet gi bilder med omtrent 20 cm oppløsning, når fartøyet er 20 km fra kometkjernen. Man regner imidlertid med at teleskopspeilet det siste halve minuttet før sammenstøtet nærmest vil bli sandblåst av støv, som omgir kometen. I løpet av det siste minuttet før kollisjonen, kan dessuten sammenstøt med støv komme til å dytte teleskopet bort fra retningen mot kometkjernen.

På undersiden av kollisjonsromfartøyet ses «dødvekten» av kobber. (Ball Aerospace)

Møtet med komet Tempel 1

Møtefasen starter formelt fem døgn før kollisjonen og avsluttes ett døgn senere. I løpet av denne tiden skal det gjøres to baneendringer, for å bringe de to romfartøyene på kollisjonskurs med kjernen i komet Tempel 1.

Den røde, stiplede kurven angir banen til Deep Impact fra Jorden og til komet Tempel 1. Den grønne kurven er Jordens bane, den stiplede, blå angir banen til Tempel 1. 1) Jordens posisjon idet Deep Impact skytes opp, 2) Tempel 1s posisjon idet Deep Impact kolliderer med den, 3) Jordens posisjon idet Deep Impact kolliderer med Tempel 1. (NASA/Erik Tronstad)

Omtrent 24 timer før kollisjonen, kobles kollisjonsromfartøyet fra. Når det er på trygg avstand, foretar mo­der­rom­far­tøyet en motoravfyring. Den endrer mo­der­rom­far­tøyets bane, slik at det ikke lenger er på kollisjonskurs med kometkjernen.

Kollisjonsromfartøyet (til venstre) er koblet fra mo­der­rom­far­tøyet (til høyre). Kollisjonsromfartøyet er på vei mot komet Tempel 1, som ses helt ute til venstre, med en komethale bak. (NASA)

Beskyttet av spesielle støvskjold kommer mo­der­rom­far­tøyet til å observere kometkjernen, kollisjonen og fragmentene som slynges ut. Idet kollisjonen skjer, er mo­der­rom­far­tøyet omtrent 8600 km borte, men nærmer seg raskt.

Observasjonene kommer til å foregå til 10 minutter etter kollisjonen. Da må mo­der­rom­far­tøyet, som er 700 km fra kometkjernen, gå over i en beskyttelsesmodus. Observasjonene stoppes og romfartøyet dreies slik at støvskjoldene i størst mulig grad beskytter det, for at det skal overleve ferden gjennom kometens baneplan. Der kommer det til å bli bombardert med større og mindre støvpartikler i kometens koma. Nå passeres minsteavstanden på 500 km til kometkjernen.

Kollisjonsromfartøyet sender en kontinuerlig strøm av data til mo­der­rom­far­tøyet. Mo­der­rom­far­tøyet sender disse dataene, og egne data, direkte videre til Jorden. Det er for å sikre at data kommer hit, i tilfelle mo­der­rom­far­tøyet blir ødelagt under nærpasseringen av kometkjernen.

Mo­der­rom­far­tøyet sett ovenfra, uten kollisjonsromfartøyet under. (NASA)

Når observasjonene gjenopptas, vil de fortsette til 60 timer etter kollisjonen. Det er for å overvåke endringer i kometens aktivitet og for å se etter eventuelle større fragmenter i midlertidige baner rundt kjernen. Flere observasjoner og dataoverføring skal pågå i 30 døgn, frem til 3. august 2005. Da avsluttes prosjektet.

Kollisjonen

Det som faktisk skjer, er ikke at kollisjonsromfartøyet flyr inn i kometkjernen, men det motsatte. Kollisjonsromfartøyet kommer ved kollisjonsstedet inn foran kometkjernen, men har lavere hastighet enn kometkjernen. Kometkjernen kommer bakfra og raser inn i («kjører over», sier noen) kollisjonsromfartøyet, med en fart på nesten 37 000 km/h (10,2 km/s). Dette skal skje 4. juli 2005, på USAs nasjonaldag.

Lenge før oppskytingen av Deep Impact kunne man registrere navnet sitt på prosjektets Internett-side. De omkring 500 000 navnene ble registrert på en mini-CD. Her monteres CDen til Deep Impacts kollisjonsromfartøy. Den kommer til å bli smadret og pulverisert i kollisjonen. (Ball Aerospace)

Tidspunktet for kollisjonen er valgt til et vindu på 55 minutter, der antenner i Deep Space Network både i California og Australia kan følge romfartøyet. Dessuten er det valgt slik at flere store bakkebaserte teleskoper, samt blant andre Hubble-romteleskopet og Spitzer-romteleskopet, kan observere kollisjonen.

Når Deep Impact skytes opp, er komet Tempel 1 omtrent 267 millioner kilometer borte. Når kollisjonen skjer, har de to romfartøyene tilbakelagt 431 millioner kilometer. Da avstanden mellom komet Tempel 1 og Jorden133,6 millioner kilometer.

Kollisjonen kommer ikke til å føre til noen nevneverdig endring i banen til komet Tempel 1. Virkningen på kometkjernen er omtrent som virkningen av en mygg som kolliderer med en Jumbojet. Kometens banehastighet endres med bare om lag 0,0001 mm/s. Kometbanens periheliumavstand (nærmeste punkt til Solen) vil bli redusert med 10 m. Omløpstiden rundt Solen vil bli avta med langt mindre enn ett sekund.

Til sammenlikning kan nevnes at kometens periheliumavstand blir endret med 34 millioner kilometer, når den passerer nær Jupiter i 2024.

Den kinetiske energien som frigjøres i kollisjonen, er om lag 19 GJ. Det tilsvarer omtrent den energimengden som frigjøres ved å detonere 4,5 tonn TNT.

Kollisjonen kommer til å danne et krater i kometkjernen. Hvor stort krateret blir, vet man ikke på forhånd. Forskerne ser for seg tre forskjellige muligheter:

1. Dannelsen av krateret er i hovedsak bestemt av kometkjernens gravitasjonskraft, noe man kaller en gravitasjonsdominert prosess. Kjeglen med utkastmateriale spres i dette tilfellet utover i en vinkel på 45-50° fra kometkjernens overflate. Foten på kjeglen forblir her hele tiden ved kometoverflaten. Det meste av materialet, om lag 75 %, faller ned igjen på kometoverflaten. Der blir det liggende i et stort område rundt krateret. I denne modellen regner man med at krateret blir omtrent 200 m i diameter og 30-50 m dypt.
2. Kraften som i størst grad motvirker dannelsen av et krater, er styrken på materialet i kometkjernen, noe man kaller en styrkedominert prosess. Kjeglen med utkastmateriale spres i dette tilfellet utover i en skarpere vinkel, på rundt 60°, fra kometkjernens overflate. Foten på kjeglen kommer til å bli revet løs fra krateret, og kanskje også helt løs fra kometkjernen. En mindre andel av utkastmaterialet, om lag 50 %, faller tilbake ned på overflaten. Krateret blir mye mindre, kanskje bare omkring 10 m.
3. En tredje mulighet er at kometkjernen er så porøs at det meste av kollisjonsromfartøyets energi absorberes, ved at kometmaterialet presses sammen (komprimeres) og varmes opp. Dette kalles en kompresjonsdominert prosess. Siden så mye energi går med til å komprimere kometmateriale, er det mindre energi igjen til å «grave ut» materiale og til å slynge det ut. Dermed fås et mye mindre krater. Krateret blir dypt, men svært lite materiale slynges ut.

Hvilken prosess som dominerer, vil gi forskerne data om hva slags materiale kometkjernen består av, i hvert fall det ytterste laget. De dataene gir videre informasjon om hvordan kometen ble dannet og har utviklet seg opp gjennom tidene.

Om krateret er gravitasjonsdominert, tyder det på at kometkjernen består av et opprinnelig materiale, som er blitt lite endret. Videre tyder det på at kometkjernen er blitt til ved at mindre legemer har kollidert med og kittet seg fast til hverandre, en prosess som kalles akkresjon.

Hvis krateret er styrkedominert, tyder det på at kometmaterialet på en eller flere måter er blitt endret. Resultatet er en kometkjerne som bedre holder sammen i en kollisjon. Det betyr at materialet ikke er opprinnelig, «uberørt» materiale fra da kometen ble dannet.

En annen mulighet er en kombinasjon av flere prosesser. Kanskje vil kraterdannelsen først være styrkedominert, så gravitasjonsdominert. Det tilsier at kometkjernens ytre skall er blitt endret eller bearbeidet, men at det under skallet er opprinnelig, ubearbeidet materiale.

Forskerne håper at observasjoner av størrelsen på skyen med utkastmateriale og hastighetsendringer i den over tid, vil gi et godt anslag for tettheten av kometmaterialet. Størrelsen på kometkjernen kjenner man fra bilder mo­der­rom­far­tøyet tar. Fra kjennskap til tetthet og volum kan man beregne kometkjernens masse.

Kometer

Astronomene mener at kometene har sitt opphav langt utenfor Pluto. Det ser man på banene til mange langperiodiske kometer, kometer med omløpstider på over 200 år.

Banene til kometene Halley, Tempel 1 og Hyakutake, projisert ned i samme plan. Diagrammet viser hvor forskjellige kometbaner kan være. Dessuten ligger de i helt forskjellige plan i rommet. (NASA)

Der ute ble de dannet, uten at materialene de består av, ble utsatt for samme grad av oppvarming som andre legemer i Solsystemet, nærmere Solen. Denne oppvarmingen i andre legemer førte til endring i fordelingen av og de relative mengdene av ulike stoffer. Hos kometene skjedde ikke dette i særlig grad. De antas derfor å være fossiler fra Solsystemets dannelse. Kometer har følgelig i stor grad samme sammensetning, som i materialene Solsystemet opprinnelig ble dannet fra.

Tidligere kometromfartøyer har observert materiale som strømmer ut fra selve overflaten på kometkjerner. Med Deep Impact ønsker man å få tilgang til materiale under overflaten. Dette materialet har formodentlig vært der, uberørt, siden komet Tempel 1 ble dannet, samtidig med Solsystemet. Slik får forskerne tilgang til å analysere materiale som er upåvirket av solstråling og andre forhold i rommet.