Журнал «Вокруг Света» №09 за 2007 год

Журнал Вокруг Света

Специальные «иглы», установленные на управляемых компьютером микроприводах, используются для высокоточного разрезания аэрогеля, содержащего образцы кометного вещества

Похождения космического пылесоса

Для сбора кометной пыли на аппарате «Стардаст» использовались ловушки с необычном веществом — аэрогелем, в котором мельчайшие частицы, летящие со скоростью 6 км/с, не разрушаясь, тормозились и застревали, как в желе. Аэрогель — самый фантастический твердый материал в мире. Он состоит из двуокиси кремния и обладает тонкой волокнисто-пустотной структурой. С виду кусок аэрогеля похож на синеватый застывший дым и при этом является твердым на ощупь. Правда, твердое вещество в составе аэрогеля занимает меньше 0,2% объема, остальное — воздух. Аэрогель в 40 раз превосходит фиберглас по теплоизоляционным свойствам, а его плотность составляет 2 кг/м3 — в 1 000 раз меньше, чем у стекла, и всего в полтора раза больше, чем у воздуха! О происхождении аэрогеля

рассказывают следующую историю. Поспорили как-то два доктора, Стивен Кистлер (Steven Kistler) и Чарлз Лернд (Charles Learned) из Стэнфордского университета — кто из них сможет без усадки объема заменить воду в желеобразном образце газом. Победил Кистлер, который в 1931 году опубликовал свою работу по созданию «воздушного желе» в журнале Nature. Берется водно-спиртовой коллоидный раствор диоксида кремния (кремнезема, SiO2), а затем быстро выпаривается, так чтобы частицы SiO2 соединялись между собой случайным образом. В результате получается тот самый «замороженный дым» — твердый материал, обладающий самой низкой плотностью из всех твердых веществ на Земле, являющийся почти идеальным тепловым, электрическим, акустическим изолятором. Долгое время большого интереса к этому материалу не было. Однако в 60–70-х годах прошлого века с развитием авиационно-космической техники срочно потребовались новые материалы — легкие и термостойкие. Сбор частиц космической пыли аэрогелем была смоделирована еще в 1993 году в Лаборатории реактивного движения (JPL) в Пасадене (Калифорния, США) под руководством доктора Питера Тсоу (Peter Tsou). Аэрогель обстреливали частицами размером от микрона до сантиметра на сверхзвуковых аэродинамических трубах в Космическом центре имени Джонсона и Исследовательском центре имени Эймса. Для большей реалистичности в экспериментах использовались частицы, собранные в стратосфере Земли, которые, возможно, являются частицами межпланетной пыли. 10-микронная пылинка при скорости 6 км/с проникает в аэрогель на глубину около 2 миллиметров и останавливается. При этом она разогревается до 600°C, но так как это длится очень короткое время, плавления или даже изменения структуры минеральных частиц не происходит, зато микроорганизмы (если они, как считают некоторые ученые, существуют на частицах кометной пыли) погибают. Конечно, скорее всего, их там просто нет, тем не менее в ходе миссии принимались все меры безопасности, чтобы не занести на Землю чужеродную инфекцию.

Межзвездная органика

Межзвездная среда состоит преимущественно из атомов водорода (примерно 70% общей массы) и гелия (около 28%). Оставшиеся 2% приходятся на другие элементы, которые, несмотря на малое количество, играют важную роль в протекающих здесь физических и химических процессах.

В двадцатом веке методами радиоастрономии в межзвездной среде было обнаружено около сотни различных молекул — от простейшего молекулярного водорода H sub 2 /sub до 13-атомного цианополиина (HC sub 11 /sub N), который представляет собой длинную цепочку атомов углерода, замкнутую с концов водородом и азотом. Что касается органических соединений, то первым, еще в 1969 году, в межзвездном пространстве нашли формальдегид, а самое свежее открытие, опубликованное в начале 2004 года, — молекулы антрацена (C sub 14 /sub H sub 10 /sub ) и пирена (C sub 16 /sub H sub 10 /sub ), содержащие соответственно 24 и 26 атомов. Эти вещества относятся к группе полициклических ароматических углеводородов, тех самых, что составляют большую часть жирного черного дыма, выбрасываемого плохо отрегулированным дизельным двигателем. Группа Адольфа Уитта (Adolf Witt) из Университета Толидо (штат Огайо, США) обнаружила эти молекулы, изучая ультрафиолетовые спектры планетарной туманности Красный Прямоугольник (Red Rectangle), находящейся в двух с лишним тысячах световых лет от Земли в созвездии Единорога. Туманность образована умирающей звездой, сравнимой по массе с Солнцем. Наибольшее удивление астрономов вызвал даже не размер открытых молекул, а сам факт их существования в условиях интенсивного ультрафиолетового излучения звезды, которое должно разрушать органические молекулы. Только весной этого года химикам из Эймсовского исследовательского центра NASA удалось смоделировать на компьютере особую, невоспроизводимую в земных лабораториях структуру органических молекулярных кластеров, которая, по-видимому, обеспечивает устойчивость соединений к такому излучению. Адольф Уитт убежден, что антрацен и пирен — не самые крупные органические молекулы, синтезируемые в условиях межзвездной среды. По его мнению, возможно образование молекул или частиц, содержащих миллионы атомов углерода. Позднее такие молекулярные комплексы могут, слипаясь друг с другом, послужить зародышами планетезималей в будущих протопланетных дисках. Но пока это, конечно, лишь гипотеза.

Так или иначе, кометные образцы с органикой, доставленные космическим аппаратом «Стардаст», — это, безусловно, важный этап в исследовании Солнечной системы, приближающий нас к решению вечной загадки происхождения жизни на Земле. Работа с образцами продлится еще не одно десятилетие. И нынешние первые предварительные результаты — лишь малая доля того, что ученым и нам с вами еще предстоит узнать.

Полет аппарата «Стардаст» к комете Вильда-2 занял 7 лет и увенчался полным успехом. В размещенной на его борту ловушке из аэрогеля застряли более тысячи метеорных частиц кометного и межзвездного происхождения, а также молекулы летучих веществ кометы, в том числе ряда органических соединений. Это первый в истории космонавтики случай доставки твердых образцов из-за пределов системы Земля—Луна.

Хронология полета

7 февраля 1999 (1)

Запуск ракетой Delta II

22 февраля — 1 мая 2000 (2)

Первый период сбора межзвездной пыли

15 января 2001 (3)

Сближение с Землей для гравитационного маневра

5 мая 2002 — 9 декабря 2002 (4)

Второй период сбора межзвездной пыли

2 ноября 2002

Сближение (3300 км) с астероидом Аннефранк (поперечник 6 км) и его съемка

24 сентября 2003

Начало операций по изучению кометы Вильда-2

2 января 2004 (5)

Пролет ядра кометы Вильда-2 на расстоянии 236 км

Расстояние от Солнца — 1,86 а. е. (279 млн км)

Расстояние от Земли — 2,60 а. е. (390 млн км)

21 февраля 2004

Завершение операций по изучению кометы

17 октября 2005

Начало операций по возврату капсулы с образцами

15 января 2006 (6)

Возвращение капсулы с образцами на Землю

На первых двух витках вокруг Солнца до встречи с кометой аппарат дважды открывал ловушку для сбора образцов межзвездной пыли, а между витками сближался с Землей для набора скорости в гравитационном маневре. Чтобы снизить скорость столкновения с межзвездными пылинками, их сбор шел в периоды, когда аппарат летел в сторону, противоположную движению Солнца относительно соседних звезд. Встреча с кометой произошла через пять лет полета на третьем витке вокруг Солнца. При этом комета нагоняла аппарат со скоростью 6,1 км/с

Рельеф ядра кометы Вильда-2. Поперечник ядра — около 5 километров, размер крупнейших кратеров около километра. Это самый детальный снимок ядра кометы, имеющийся в распоряжении ученых, — на оригинале различимы детали размером около 10 метров

Выбросы газа , которые просматриваются только при длинной экспозиции (около 10 секунд). Съемка велась навигационной камерой аппарата «Стардаст».

Схема компоновки космического аппарата «Стардаст». Впереди раскрытая посадочная капсула и ловушка с аэрогелем, поднятая на кронштейне в рабочее положение. В центре на корпусе аппарата расположена параболическая узконаправленная антенна для связи с Землей, слева от нее — средненаправленная антенна

Ловушка для кометных частиц разделена на 130 ячеек глубиной 3 сантиметра, заполненных аэрогелем. Ее рабочая площадь составляет 1 000 см2. Вся работа по ее изготовлению проводилась в чистых комнатах класса 100 (не больше 100 частиц полумикронного размера на кубический фут воздуха). Это в сто раз более чистый воздух, чем в типичной операционной. При пролете кометы ловушку ставили одной стороной к потоку частиц, а для сбора межзвездной пыли — другой. Это позволило легко различать частицы разного происхождения

Возвращаемая капсула «Стардаста» осуществила парашютную посадку 15 января 2006 года на полигоне в штате Юта. Это второй в истории возврат аппарата после межпланетного полета. Первым был зонд «Генезис», собиравший образцы солнечного ветра. 8 сентября 2004 года его капсула совершила жесткую посадку: из-за ошибки в сборке не раскрылся основной парашют. До последнего момента было неизвестно, нет ли такой же ошибки в капсуле «Стардаста». Аналогичное устройство планируется использовать в будущем для доставки образцов с поверхности Марса

Одна из крупных пылинок размером около 2 микронов состоит из тугоплавкого силикатного минерала форстерита (Mg2SiO4), одной из форм оливина, который образуется при высоких температурах. Выходит, что кометное вещество формировалось не только на холодной периферии Солнечной системы, но, по крайней мере, частично, в горячих областях вблизи молодого Солнца, а возможно, и других звезд