Kosmonautika XXIII – Dawn

Americká NASA vypustila svoji, v pořadí již druhou, letošní meziplanetární sondu, která nese název Dawn [1], což můžeme do češtiny přeložit jako počátek nebo úsvit. Hlavním úkolem této mise bude průzkum trpasličí planety 1 Ceres [2] a planetky 4 Vesta [3]. Obě tato tělesa se nacházejí v hlavním pásu planetek mezi Marsem a Jupiterem. Start sondy proběhl ve čtvrtek 27. září 2007 v 11:34 UT pomocí nosné rakety Delta 7925H (jedná se o rodinu raket Delta 2) z kosmodromu Cape Canaveral na Floridě.

Obr. 1: Start rakety Delta 7925H se sondou Dawn, který proběhl 27. září v 11:34 UT. [11]

Obr. 2: Sonda Dawn v hlavním pásu planetek v představách umělce. [12]

Obr. 3: Snímky trpasličí planety Ceres (vlevo) a planetky Vesta (vpravo) pořízené pomocí Hubble Space Telescope. [13]

Obr. 4: Zobrazení Kirkwoodových mezer. Na vodorovné ose je vynesena vzdálenost od Slunce v astronomických jednotkách, na svislé ose počet asteroidů na každých 0,0005 AU. [10]

Obr. 5: Vnitřní část sluneční soustavy, kde bílé tečky jsou planetky hlavního pásu. [14]

Původně se měla sonda Dawn vydat na svoji pouť sluneční soustavou již 27.  května 2006, protože však práce na její finální montáži nabraly skluz, byl start odložen na polovinu června 2006. Problémy misi ne a ne opustit – vypuštění Dawn bylo odloženo o jeden rok na období mezi červnem a srpnem. NASA nakonec rozhodla o startu v první polovině července 2007, bohužel došlo opět k odkladu způsobeném problémy s telemetrickým letadlem a kolizí s přípravami startu sondy Phoenix k planetě Mars [více na 4]. Nakonec se start uskutečnil až 27. září, kdy byla sonda úspěšně navedena na meziplanetární dráhu.

První zastávkou sondy Dawn bude planeta Mars, u které proběhne v únoru 2009 gravitační manévr, jenž poskytne další energii k letu mimo oblast vnitřních planet. O dva roky později, v srpnu 2011, dorazí sonda k prvnímu ze svých cílů – planetce 4 Vesta. Na oběžné dráze kolem Vesty setrvá Dawn až do května 2012. Planetka Vesta byla objevena 29. března 1807 německým astronomem Heinrichech W. Olbersem, který mimochodem objevil i planetku 2 Pallas. Rozměry planetky 4 Vesta jsou 578 x 560 x 458 km a její dráha se nachází ve vzdálenosti 2,36 AU od Slunce. Okolo naší hvězdy oběhne jednou za 3,63 roku a kolem své osy každých 5,34 hodiny. Povrch Vesty je velmi rozmanitý a přímo vybízí k podrobnému a dlouhodobému zkoumání. Na jižním pólu se například nachází obrovský impaktní kráter o průměru 460 km a hloubce 13 km. Obrovská srážka, při které vznikl, připravila planetku o 1% jejího objemu a vyvrhla do kosmického prostoru více než dva milióny krychlových kilometrů materiálu, který se rozlétl po celé sluneční soustavě. Vědci věří, že přibližně 5% meteoritů nalezených na Zemi pochází právě z této jediné gigantické kolize. Podobný útvar na Zemi by při zachování poměru velikosti naší planety a Vesty byl velký jako Tichý oceán [5]!

Po ukončení výzkumu planetky 4 Vesta se sonda Dawn vydá k trpasličí planetě 1 Ceres, kolem které bude obíhat od února do července 2015. Planetku Ceres objevil 1. ledna 1801 italský astronom Giuseppe Piazzi při sestavování katalogu hvězd. Po více jak dvou stech letech dostala planetka Ceres nový status. Na pražském zasedání Mezinárodní astronomické unie IAU (Internation Astronomical Union), v roce 2006, bylo rozhodnuto o vytvoření nové kategorie těles ve sluneční soustavě, tzv. trpasličích planet. Do této skupiny náleží také, již bývalá, planetka 1 Ceres. Dovolte malou odbočku k definici kategorie trpasličích planet. Objekt zde spadající musí splňovat čtyři podmínky:

• musí obíhat kolem Slunce
• má dostatečnou hmotnost, aby ho jeho vlastní gravitační síla zformovala do přibližně kulového tvaru
• není natolik dominantní, aby vyčistil své okolí od jiných těles
• není měsícem žádné planety

Trpasličí planeta Ceres má rozměry 974,6 x 909,4 km a obíhá ve vzdálenosti 2,77 AU od Slunce. Kolem naší mateřské hvězdy oběhne jednou za 4,6 roku a kolem své osy se otočí každých 9,1 hodin [2]. Jádro Cerery tvoří silikátové horniny, plášť potom až z 25% voda ve formě ledu. Ještě před příletem sondy Dawn je připraven pozorovací program 1 Ceres pomocí Very Large Telescope v jihoamerickém Chile.

Obraťme nyní pozornost k samotné sondě Dawn. Jedná se o tříose stabilizovanou sondu s rozměry základního modulu 1,64 x 1,27 x 1,77 m a hmotností 1 217,7 kg. Elektrickou energii dodává dvojice solárních panelů ověřených při technologické misi sondy Deep Space 1. Každý z panelů má délku 8,3 m a jeho výkon se pohybuje kolem 5 kW (záleží zde na vzdálenosti a orientaci vůči Slunci). Hlavní pohonnou jednotkou jsou tři iontové motory, které konstrukčně vycházejí z motoru umístěného na již zmiňované sondě Deep Space 1. Jako pracovní látka iontových motorů se používá xenon, jehož si Dawn ve svých nádržích veze 425 kg. To plně pokryje spotřebu při plánovaných 2 100 dnech činnosti motorů s regulovatelným tahem v rozmezí od 19 do 91 mN. Pro zajímavost ještě uvádíme, že iontové motory urychlí sondu Dawn každé čtyři dny přibližně o 100 km/h. Korekce dráhy a stabilizaci sondy zajišťuje systém 12 hydrazinových motorků, každý o tahu 0,9 N. Spojení se Zemí je zprostředkováno pomocí 1,5 m hlavní vysokoziskové parabolické antény a tří nízkoziskových všesměrových antén, z nichž může vždy pracovat jen jedna. Vědecké vybavení sondy Dawn tvoří tři zařízení:

Framing Camera [podle 6 a 7]
Je navržena pro detailní průzkum povrchu 1 Ceres a 4 Vesta, stejně jako bude sloužit při navigaci sondy. Ta na své palubě nese dvě identické kamery s vlastní optikou a elektronikou, které jsou vybaveny otočným systémem osmi filtrů pro snímání na vlnových délkách 430, 540, 650, 750, 830, 920 a 980 nm a čirým filtrem na rozsahu 450 – 950 nm. Snímacím prvkem je CCD čip o rozměrech 1024 x 1024 px s dobou vyčítání 1,6 ms. Při pořizování snímků z výšky 100 km je rozlišovací schopnost kamery 9,3 m na jeden obrazový bod, s tím, že tato hodnota je závislá na osvětlení snímané plochy a může se tak měnit.

Gama Ray & Neutron Spectrometer [podle 6 a 8]
Slouží k detekci chemických prvků kyslíku, křemíku, železa, titanu, manganu, hliníku a vápníku, které se hojně vyskytují v povrchové vrstvě planetky Vesta a trpasličí planety Ceres spolu se stopovým množstvím uranu, thoria, draslíku, vodíku, gadolinia a samaria, jenž budou také detekovány. Přítomnost vodíku navíc nepřímo ukazuje na výskyt vody v povrchových vrstvách tělesa do hloubky asi jednoho metru. Jako detektoru gama záření je použita matice 16 CZT (CdZnTe) senzorů, pro detekci neutronů se používá BGO (BiGeO) senzor připojený na fotonásobič.

Visible and Infrared Mapping Spectrometer [podle 6 a 9]
Jak již název napovídá, jedná se o spektrometr pro viditelnou a infračervenou oblast elektromagnetického spektra. Přístroj použitý na sondě Dawn je modifikací zařízení VIRTIS umístěného na evropské sondě Rosetta mířící ke kometě 67P/Churyumov-Gerasimenko. Kanál pro viditelnou oblast používá CCD čip o rozměru 1024 x 1024 obrazových bodů a pracuje pro vlnové délky od 250 do 1 000 nm. Infračervený kanál je opatřen maticí MCT (HgCdTe) fotodiod s rozměry 270 x 435. Pracovní rozsah infračerveného spektrometru je od 950 do 5 050 nm a může využívat filtry pro oblasti 900 – 1 600, 1 200 – 1 900, 1 900 – 2 500, 2 400 – 3 750, 3 600 – 4 400 a 4 300 – 5 000 nm.

Společně s těmito přístroji měl na sondě Dawn pracovat i magnetometr se dvěma fluxgate senzory a laserový výškoměr. Obě tato zařízení ale byla v průběhu vývoje sondy z projektu odstraněna.

Již v předchozím textu byly lehce nastíněny cíle a důvody mise Dawn. Jedná se hlavně o prozkoumání původního materiálu podílejícího se na tvorbě sluneční soustavy, před přibližně 4,5 miliardami let, a pochopení procesů jejího formování. Sem patří zpřesnění údajů o rozměrech, hustotě, vnitřní struktuře a podrobné pozorování morfologie povrchu či množství kráterů. Velmi zajímavé bude i množství vodního ledu zjištěného u trpasličí planety Ceres. Rentgenový a neutronový spektrometr poskytne další údaje o složení povrchových vrstev s přesností a rozlišením jakého nelze dosáhnout jinak než „blízkým“ průzkumem.

Jak Ceres, tak i Vesta se nacházejí v hlavním pásu planetek mezi Marsem a Jupiterem, který se rozkládá ve vzdálenosti od 2 do 4 AU. Podle odhadů vědců se zde nalézá mezi 700 000 až 1,7 milióny planetek větších než 1 km a přes 200 těles přesahujících průměr 100 km. Doposud je nám známo téměř 160 000 těles hlavního pásu a se zlepšující se pozorovací technikou budou přibývat stále nové a nové objevy. Velký vliv na systém planetek hlavního pásu má největší planeta sluneční soustavy – Jupiter. Jeho rezonanční vliv způsobuje vznik Kirkwoodových mezer [10], což jsou dráhy, na kterých se vyskytuje jen velmi málo těles (viz obr. 4).

Doposud se na výzkumu planetek podílelo několik kosmických sond. Jako první v roce 1991 sonda Galileo (určena ke zkoumání Jupiteru), která prolétla kolem planetky Gaspra a o dva roky později kolem planetky Ida. U té dokonce objevila měsíček, který dostal jméno Dactyl a šlo tak o první důkaz existence dvojplanetek. Druhou v pořadí byla ambiciózní mise sondy NEAR (Near Earth Asteroid Rendezvous), která byla 14. února 2000 jako první výtvor člověka navedena na oběžnou dráhu kolem planetky Eros. Po téměř roce činnosti byl NEAR naveden na kolizní dráhu a do dopadu pořídil 69 detailních snímků. Již několikrát zmiňovaná sonda Deep Space 1 měla mimo technologického poslání za úkol i těsný průlet kolem planetky Braille. Americká sonda Stardust se při své misi zaměřila na průzkum komety 81P/Wild a při této příležitosti „navštívila“ v roce 2002 planetku Annefrank. Zatím poslední blízký průzkum tělesa hlavního pásu provedla japonská sonda Haybusa v roce 2005, kdy mělo dojít k odběru vzorků z planetky Itokawa. Bohužel se vyskytly problémy a nebylo jednoznačně potvrzeno, zda se podařilo vzorky odebrat či nikoli. Na výsledky si tak musíme počkat až do roku 2010, kdy se má vrátit návratová kapsle.

Mise sondy Dawn se tedy zařadila do dnes již poměrně široké rodiny průzkumníků meziplanetární hmoty. Doufejme, že bude mít úspěch a objasní mnoho otázek o formování sluneční soustavy a jejího vzniku, stejně jako rozšíří naše znalosti o planetkách.