NASAs Lucy-mission:En rejse til det unge solsystem

NASAs Lucy-rumfartøj vil blive opsendt i oktober 2021 på en 12-årig rejse til Jupiters trojanske asteroider. Lucy-missionen vil omfatte tre jord-tyngdekraftsassistancer og besøg hos otte asteroider.

Kaldet "trojanere" efter karakterer fra græsk mytologi, de fleste af Lucys målasteroider er tilbage fra dannelsen af ​​solsystemet. Disse trojanske heste kredser om solen i to sværme:en der går forud og en der følger Jupiter i dens kredsløb om solen. Lucy vil være det første rumfartøj, der besøger trojanerne, og den første til at undersøge så mange uafhængige solsystemmål, hver i sit eget kredsløb om solen.

At studere Jupiters trojanske asteroider tæt på ville hjælpe videnskabsmænd med at finpudse deres teorier om, hvordan vores solsystems planeter blev dannet for 4,5 milliarder år siden, og hvorfor de endte i deres nuværende konfiguration. "Det er næsten, som om vi rejser tilbage i tiden, " sagde rumfartsingeniør Jacob Englander, som hjalp med at designe Lucys bane, mens han arbejdede på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Først udtænkt for syv år siden som en mission til to asteroider, Lucy udvidede til episke proportioner takket være kreativ teknik og upåklagelig timing. Nogle forestiller sig, at karma også kan have haft noget med det at gøre:"Jeg joker ofte med, at jeg har brugt min karriere på at tilbede for fødderne af himmelmekanikkens guder, " sagde Lucy hovedefterforsker Harold Levison, en ekspert i planetdynamik baseret på Boulder, Colorado, afdeling af Southwest Research Institute (SwRI), som har hovedkvarter i San Antonio. "Nu betaler de os tilbage for den hengivenhed."

Banen

Ifølge missionslegenden, det øjeblik, der ændrede alt, var i 2014, et par år før NASA valgte Lucy til flyvning. Mangeårig missionsbanedesigner Brian Sutter fra Lockheed Martin Space i Littleton, Colorado, gik Levison gennem en computersimulering af Lucys foreslåede rute gennem solsystemet.

Levison så ud til, at Lucy ville passere Patroclus på vej til dets officielle mål; Patroclus er en af ​​et par trojanske asteroider, der kredser om hinanden. Uden at Sutter vidste det på det tidspunkt, Patroclus er en favorit Trojan af Levison's. Låst i en binær bane med sin næsten tvillingepartner Menoetius, det er en sjælden og mystisk race inde i Neptuns kredsløb. De fleste asteroider, der slog sig ned i det indre solsystem, burde være blevet revet fra deres partnere under den turbulente planetdannelsesperiode, der var præget af massive kollisioner.

Hvordan forblev dette par intakt? Svaret kunne indeholde vigtige spor til timingen og udførelsen af ​​planetdannelse, sagde Levison. "Jeg ved ikke, hvorfor Brian valgte at inkludere Patroclus; måske var det en af ​​de store, måske kunne han lide navnet, sagde han. Men da jeg så det, Jeg kan huske, at jeg råbte "Vent, vent:Kan vi gå derhen?'"

Sutter har designet rumfartøjsbaner i årtier, inklusive dem til NASA's asteroide prøve returmission OSIRIS-REx og NASA's Mars Odyssey Orbiter, med rumfartøj bygget af Lockheed Martin. Han inkluderede Patroclus og Menoetius i Lucys banesimulering, simpelthen fordi de var i det himmelske kvarter; parret var ikke helt ad Lucys vej. Men Sutter tjekkede, om solsystemet ville blive justeret i fremtiden, således at Lucys bane kunne bringe det tæt nok på parret til at observere dem.

Som det skete, Lucy og Patroclus-Menoetius-parret krydsede veje i 2033. "Det var bare held, " sagde Levison.

Dette fund inspirerede Sutter til at søge andre mål langs Lucys vej i løbet af missionens tidsramme. Han fodrede 750, 000 kendte asteroide kredser ind i et regneark, plus Lucys bane på det tidspunkt, og brugte måneder på at køre beregninger, der fandt en håndfuld yderligere asteroider - dem med forskellige kemiske sammensætninger, der var perfekte videnskabelige mål for missionen.

"Jeg blev ved med at tilføje møder i min simulering, indtil vi løb tør for brændstof på rumfartøjet, og det var der, vi sluttede Lucys bane, " sagde Sutter. "Men Jeg vidste også, at der er flere mål undervejs, og vi kunne komme til dem, hvis vi havde lidt mere brændstof."

Som han altid har gjort, Sutter brugte Excel som et af sine baneværktøjer – et program de fleste forbinder med regnskab – til at designe Lucys vej gennem rummet. "Jeg kan lave alle mulige magiske ting i det, " sagde Sutter. Det ville tage Englander, som arbejdede hos NASA Goddard, at optimere banen og få rumfartøjet til otte mål med en diameter på fra omkring 2 miles (3 kilometer) til 70 miles (113 kilometer).

Nu missionsdesigner ved Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland, Englander var ikke involveret med Lucy på det tidspunkt, hvor han læste om det på et populært nyhedssite. Han var tilfældigvis ved at bygge en kraftfuld software kaldet Evolutionary Mission Trajectory Generator, eller EMTG, nu tilgængelig som open source-software for alle, der ønsker at bruge det. EMTG kunne cykle gennem millioner af banescenarier på timer i stedet for måneder. "Jeg havde en fornemmelse af, at det ville være gavnligt for Brian og holdet, hvis jeg skulle give dem en version af den bane, der er gengivet i EMTG, så jeg omvendt konstruerede missionen baseret på artiklen, " sagde Englander.

Ruten Englanders software identificerede reduceret brændstofforbrug og størrelsen på Lucys løfteraket. Som resultat, den sparede missionspengene, mens den tog den forbi flere asteroider, sikre Englander en position på holdet, og sætte Lucy op til at blive udvalgt af NASA i 2017.

Nu, Lucy vil starte fra Jorden ombord på en Atlas V 401 raket under et vindue, der åbner den 16. oktober, 2021. Den vil først flyve forbi Jorden to gange for at bruge denne planets tyngdekraft til at kaste sig mod trojanerne. I 2025, Lucy vil flyve forbi Donaldjohanson, som kredser i asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter. Holdet vil bruge denne forbiflyvning til at teste rumfartøjets instrumenter.

I august 2027, Lucy vil nå sin første sværm af trojanske heste, der går forud for Jupiter på et gravitationsstabilt sted kendt som et Lagrange-punkt, specifikt kendt som L4. der, rumfartøjet vil først krydse Eurybates (udtales "yoo-RIB-a-teez" eller "you-ri-BAY-teez") og dets satellit Queta ("KEH-tah").

I september 2027, Lucy vil flyve forbi Polymele ("pah-li-MEH-lee" eller "pah-LIM-ah-lee"), og derefter i april 2028 af Leucus ("LYOO-kus" eller "LOO-kus"), og Orus ("O-rus") i november 2028.

Lucy vil derefter svinge tilbage forbi Jorden for en tredje tyngdekraftsassistance, som vil slynge den mod sværmen på den anden side af Jupiter, beliggende ved L5 Lagrange-punktet, hvor det vil mødes med Patroclus ("pa-TROH-klus") og Menoetius ("meno-EE-shus" eller "meh-NEE-shus") i 2033.

Videnskaben

Trojanerne er klynger af stenkorn og eksotiske is, der ikke smeltede sammen til planeter, da solsystemet blev dannet. De er blandt de bedst bevarede beviser, vi har tilbage fra den periode og er således nøglen til at forklare, hvordan solsystemet kom til at se ud, som det gør.

"Når vi ser tilbage på solsystemet og vores plads her på Jorden, folk spørger ofte, "Hvad er vores historie? Hvordan kom vi hertil?" sagde Cathy Olkin, Lucys stedfortrædende hovedefterforsker, som er baseret på Southwest Research Institute. "Lucy vil forsøge at hjælpe med at besvare nogle af disse spørgsmål."

Der er en håndfuld teorier, der forklarer, hvordan planeter, måner, og andre objekter dannet og endte på deres nuværende placeringer. Levison, for eksempel, er medforfatter til Nice-modellen, opkaldt efter byen i Frankrig, hvor den blev udviklet i 2004. Denne computersimulering af det tidlige solsystem antyder, at kæmpen, gasformige planeter startede i en pakket konfiguration omkring solen. Til sidst, gravitationsinteraktioner med skiven af ​​små kroppe og med hinanden fik de voksende planeter til at sprede sig fra hinanden. Neptun, Uranus, og Saturn spredte sig længere væk fra solen, mens Jupiter rykkede lidt tættere ind.

"I denne teori, denne omrokering forårsagede kaotisk forstyrrelse, " sagde Olkin, en planetarisk videnskabsmand, "at sprede mange kroppe ud af solsystemet og trække nogle ind og fange dem omkring Lagrange-punkterne. Det er en mulig forklaring på, hvordan Jupiters trojanske heste blev til."

Sammenligning af sammensætningen af ​​Jupiter-trojanerne vil hjælpe videnskabsmænd med at optrevle deres historie. Fra Jorden og rumteleskoper, Trojanske heste ser sammensat forskellige ud fra hinanden. Er det fordi hver enkelt del af solsystemet kom fra en anden del af solsystemet og derfor var lavet af forskellige ting? Eller er trojanske heste lavet af det samme, med forskelle kun synlige på deres overflader, som kan være blevet ændret ved forskellige grader af opvarmning, stråling, og kollisioner, som asteroiderne oplevede, mens de var på vej til deres nuværende Lagrange-positioner.

Forskere vil forsøge at besvare disse og andre spørgsmål med Lucy ved at bruge instrumenter som L'Ralph, som er baseret på en lignende Olkin ledede på NASAs New Horizons rumfartøj. L'Ralph vil undersøge den kemiske sammensætning af afkroge af asteroideoverflader fra omkring 620 miles, eller 1, 000 kilometer, væk i gennemsnit. Dybe kraterbede, eller kratervægge, kan tilbyde adgang til det indre af disse asteroider, som er lavet af yngre materialer (millioner af år gamle vs. milliarder af år for den ældste udvendige overflade). Sådanne "friske" overflader ville formodentlig ikke have været udsat for så meget stråling og mikrometeoritpåvirkninger, og dermed kunne bevare noget af asteroidens oprindelige sammensætning.

Ved at bruge Lucys L'LORRI sort-hvide kamera vil forskere tælle antallet af kratere på asteroideoverflader, som vil give spor til de miljøer, som asteroiderne blev udsat for for milliarder af år siden. Mange store kratere ville indikere, at asteroiden blev dannet i det turbulente og varmere område tættere på solen; mens færre kratere ville antyde, at trojanerne blev dannet i det relativt rolige og kolde yderste område af det spirende solsystem. At finde ud af, hvor disse asteroider blev dannet i skiven af ​​gas og støv, der affødte solsystemet, plus andre former for beviser, vil hjælpe videnskabsmænd med at teste deres planetariske dannelsesteorier.

"Det ville være den historie, som jeg gerne vil se udfolde sig i løbet af det næste årti eller deromkring, " sagde Levison.

En lang mission

Selvom de fleste NASA-missioner varer adskillige år, ingeniører bygger så holdbare rumfartøjer og instrumenter, at de kan operere langt ud over deres primære opgaver, og, Ja, mange gør. New Horizons mission til Pluto, for eksempel, designet til at holde i 10,5 år, inklusive en ni et halvt års pendling til dværgplaneten. Men missionen blev udvidet, og rumfartøjet forbliver aktivt den dag i dag, 15 år efter lanceringen i 2006.

Lucys primære mission på 12 år er NASAs længste endnu. At opretholde en så ambitiøs forfølgelse, holdet skulle planlægge ikke kun rumfartøjets levetid – som delvist var modelleret efter New Horizons – men også dets folk. Fra at udtænke missionen, at indsende forslag til NASA, at blive udvalgt og bygge rumfartøjet, nogle teammedlemmer har allerede arbejdet på Lucy i mere end et årti – og rumfartøjet er ikke engang lanceret endnu! Nogle vil bruge meget af deres voksne liv på at arbejde på denne mission. Og hvis Lucy fortsætter til en længere mission, den kunne flyve i mange årtier.

"Det kunne godt være, at når Lucy er færdig, eller tom for gas, at min søn, der lige blev født, vil være i den alder, som jeg er nu, sagde Englander, der er 37 år, "og det er bare rigtig fedt!"

Men folk skifter job og går på pension, så givet Lucys levetid, holdet ønskede at undgå større forstyrrelser under disse uundgåelige ændringer. For at gøre det, holdet inkorporerede en successionsplan i Lucys design:Missionsledere, der har tendens til at være længere fremme i deres karriere, har yngre stedfortrædere, som kan tage over, hvis det er nødvendigt. "Vi havde øje på spørgsmålet om lang levetid lige fra begyndelsen, " sagde Levison, som vil være 75, når den primære mission slutter i 2033.

Patroklos og Menoetius, fortsatte....

Beliggende i sværmen af ​​trojanske asteroider, der følger Jupiter i sin bane, det binære par Patroclus og Menoetius, omtrent lige i masse, drejer rundt om massecentret mellem dem - "som en håndvægt uden stang, " bemærkede Sutter. Der er gode beviser for, at de første betydelige ting, der blev dannet i solsystemet, var disse typer binære.

I dag, de fleste sådanne binære filer er begrænset til Kuiperbæltet, et doughnut-formet område af de ældste og mindst ændrede kometer og andre genstande lavet af is, klippe, og støv. Dette bælte strækker sig fra kredsløbet om den yderste planet Neptun til ud over Plutos kredsløb.

Aktuelle beviser indikerer, at Patroclus og Menoetius sandsynligvis er dannet i det ydre solsystem, på samme sted som mange af Kuiperbæltets objekter - de håber at lære med sikkerhed, når Lucy kommer tæt på dem i 2033. Hvis ja, dette trojanske par kan være videnskabsmænds bedste håb om at nå flere Kuiper-bælte-lignende objekter (New Horizons besøgte Kuiper-bælteobjektet Arrokoth i 2019).

Forskere som Levison teoretiserer, at da de gigantiske planeter begyndte at skifte deres kredsløb for omkring 4 til 4,5 milliarder år siden, spredte de alt omkring dem. Patroclus og Menoetius blev tilfældigvis spredt indad mod Jupiter, mens mange andre genstande blev fanget i Kuiperbæltet, og nogle blev sendt ud af solsystemet. "Så, vi leder efter spor om det er korrekt eller ej, " sagde Keith Noll, Lucy projekt videnskabsmand, der er baseret på NASA Goddard.

Da Lucy når Patroclus-parret, videnskabsmænd vil undersøge deres sammensætning og antallet af kratere på deres overflader. "Vil de være glatte eller slået?" sagde Noll. "Og bliver de slået lidt eller meget?" At finde svar på disse spørgsmål vil give videnskabsmænd indsigt i den relative alder af de trojanske asteroider og forholdene i det tidlige solsystem.