вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №4




Зарубежная
космонавтика



Вторая комета «Джотто»

Г. X. ШВЕМ
Европейское Космическое Агентство (ESA)


Изучение строения и химический состав комет дает нам не только ключ к познанию происхождения Солнечной системы Земли, но и, возможно, образования звезд. Кометы служат еще и «космическими лабораториями», где мы можем исследовать происходящие в них магнитогидродинамические процессы. Эти процессы наблюдаются в горячих газах или в плазме, содержащей заряженные частицы или ионы, движущиеся вдоль силовых линий магнитных полей, так что газовые облака частично или полностью контролируются этими полями.

Исследования по проекту «Расширенная миссия Джотто» (Земля и Вселенная, 1992, № 6, с, 38.— Ред.) дали новые превосходные сведения, в том числе о взаимодействии солнечного ветра с немагнитным космическим телом.

До настоящего времени космические полеты позволяли нам получать как бы моментальные снимки трех из миллиардов комет, имеющих, по-видимому, как различную природу, так и происхождение и физическую историю. Комета Григга-Скьеллерупа, известная с 1902 г. из семейства Юпитера с периодом обращения 4,9 года, относится к старым, отличающимся несильным выделением газов (6Х1027 мол/с). По этому признаку она уступает и комете Джакобини-Циннера (газовыделение 2·1028 мол/с) — первой комете, изученной с борта космического аппарата (Международного исследователя комет, International Comet Explorer — ICE) 11 сентября 1985 г., и с гораздо более активной кометой Галлея (газовыделение 6,9Х1029 мол/с), удостоившейся визита целой эскадры космических аппаратов, включая «Джотто» в период с 6 по 25 марта 1986 г. (Земля и Вселенная, 1986, № 1, с. 25; № 5, с. 5; 1987, № 2, с. 4 — Ред.)

Сравнительное изучение этих трех комет было главной целью при планировании «Расширенной миссии Джотто» (Giotto Extended Mission). Результатом исследований кометы Григга-Скьеллерупа в рамках этого проекта стало существенное расширение наших знаний о взаимодействии солнечного ветра с кометами.

ВСТРЕЧА

После второй активации космического аппарата «Джотто» 4 мая 1992 г. научной группе эксперимента пришлось запастись терпением до середины июня, когда мощность бортовых источников питания стала достаточной для начала работы отдельных приборов. Через месяц стало очевидно, что состояние аппаратуры не изменилось по сравнению с первым его «оживлением» в 1990 г., и мы не сможем увидеть изображения ядра кометы.

Чтобы получить возможно большее количество научной информации, к моменту встречи все бортовые датчики «Джотто», которые могли дать сколько-нибудь значимые сведения, были задействованы, несмотря на то, что бортовые мощности работали на пределе возможностей. Расстояние от кометы Григга-Скьеллерупа до Солнца в это время составляло 1,01 а. е. (при встрече с кометой Галлея оно было 0,9 а. е.), что уменьшило мощность источников тока в солнечных батареях на 20% по сравнению с предыдущей встречей. Но научные данные, принятые от всех работоспособных приборов, полностью оправдали это решение.

Измерения солнечного ветра и параметров кометной плазмы прибором ГРА 10 июля 1922 г. между 11 и 20 часами всемирного времени


Гораздо меньшая скорость сближения кометы Григга-Скьеллерупа, чем кометы Галлея с космическим аппаратом (14 км/с), и угол около 70° между осью его вращения и вектором средней скорости означали, что частицы кометной пыли ударялись о защитный противо-пылевой экран «Джотто» почти касательно, и панели солнечных батарей, смонтированные на цилиндрическом корпусе корабля, были совершенно не защищены от набегающих пылинок.

Вечером 9 июля 1992 г. весь комплекс бортовой аппаратуры был готов «ощупывать и обнюхивать», но, к сожалению, не видеть ядро кометы.

Экспресс-информация, полученная группой специалистов Европейского центра космических операций (близ Франкфурта) и Европейской южной обсерватории в Ла Силья (Чили), показывала, что за дни непосредственно перед встречей КА с кометой яркость ее увеличилась, а свечение приобрело красноватый оттенок (явное указание на выброс пыли из ядра). Кома достигла диаметра в 20 000 км, и у кометы появился даже слабый хвост. Все это позволяло надеяться на успешные результаты встречи, которая, согласно расчетам, должна была произойти на минимальном расстоянии 600 км.

НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Джонстоновский плазменный анализатор (JPA) на борту «Джотто» обнаружил первые признаки кометы, а именно захват ионов группы воды (и ее полимеров) на расстоянии 440 000 км от ядра. Основной процесс в ходе взаимодействия солнечного ветра с кометой — эффект массовой нагрузки — состоит в передаче импульса от кометных ионов частицам солнечного ветра. Нейтральные молекулы кометного происхождения ионизируются солнечным излучением уже на больших расстояниях от ядра. Как только эти довольно массивные ионы внедряются в поток солнечного ветра, они ускоряются межпланетными электрическими полями на циклоидальные орбиты, двигаясь перпендикулярно магнитному полю. Энергию и импульс кометные ионы получают от солнечного ветра, который в результате этого тормозится, и притом все сильнее по мере приближения к комете.

Эффект массовой нагрузки ясно проявляется в измеряемом уменьшении скорости частиц солнечного ветра. Прибор JPA зарегистрировал также и изменение направления вектора скорости солнечного ветра вблизи внутренних частей комы. Из этих измерений экспериментаторы определили скорость газовыделения для кометы Григга-Скьеллерупа во время встречи. Зарегистрированная величина порядка 6·1027 мол/с находится в прекрасном согласии со значением (6,8±0,9)·1027 мол/с, полученным по данным магнитометра уже в 10 ч всемирного времени 10 июля 1992 г. совершенно другим путем.

Магнитометр (MAG) зафиксировал генерируемые захватом ионов волновые поля на расстоянии 270 000 км от кометы. Эти волны имели период около 70 с и увеличивали свою амплитуду, сохраняя гладкий профиль. Волны имели левостороннюю круговую поляризацию, в отличие от комет Галлея и Джакобини-Циннера, у которых она была правосторонней. Когда Джотто приблизился к ядру на 20 000 км, были обнаружены вариации свойств магнитного поля, хотя и довольно плавные, что указывало на то, что на расстоянии 19 900 км от ядра расположена простая головная, но не ударная волна.

Данные о векторе магнитного поля, усредненные за 4-секундные интервалы, привязанные к траектории «Джотто» в период встречи с кометой Григга-Скьеллерупа, в кометоцентрических солнечных эклиптических координатах. Параболоид (сплошная линия) и поверхность постоянной массовой нагрузки (прерывистая линия) с отметками пересечения головной волны внутрь и головной ударной волны наружу


Плазменный анализатор, с другой стороны, явно указал на присутствие на этом расстоянии в плазменном поле головной ударной волны. Однако, когда космический корабль отдалился от кометы на 25 400 км, пересечение сильной головной ударной волны было зафиксировано уже обоими приборами. Вблизи ядра напряженность магнитного поля увеличилась до 89 нт — больше, чем в случае кометы Галлея, — но магнитной полости обнаружено не было. Это не было неожиданностью, поскольку полость, если она вообще существует у кометы Григга-Скьеллерупа, должна была простираться лишь на 60 км от ядра.

Анализатор частиц высоких энергий (ЕРА) измерил высокоэнергичные заряженные частицы (с энергиями 60 — 260 кэВ) в окружении кометы. Были обнаружены весьма анизотропные потоки этих частиц, имевшие резко выраженную направленность от Солнца. Удалось выявить три режима вариаций потока частиц, а именно: слабые вариации, резкие усиления типа вспышек и волноподобные структуры. Зарегистрированные ионы представляли собой смесь протонов солнечного ветра и кометных ионов группы воды. Энергия последних значительно превосходила максимально возможную, если ее источником считать один процесс захвата ионов. Волновые структуры, выявленные в ходе измерений, представляют собой реакцию частиц на окружающие ионно-циклотронные волны, причем здесь имеется прекрасная корреляция с некоторыми показаниями магнитометра.

Примерно на расстоянии 50 000 км от ядра кометы прибор ОРЕ («оптический зонд-эксперимент») измерил яркость и поляризацию солнечного света, рассеянного частицами кометной пыли, и некоторые

Распределение яркости свечения комы кометы Григга-Скьеллерупа в результате рассеяния солнечного света частицами кометной пыли как функция расстояния от ядра. Пробел в записи данных связан с утратой одного цикла научных передач при ударе крупной пылевой частицы. Не найдено пока объяснения вторичному пику, но это реальное измерение, а не результат погрешности или инструментальный эффект


широкополосные молекулярные эмиссии, показавшие усиление яркости в соответствующих спектральных областях. Пылевую оболочку «Джотто» встретил на расстоянии 17 000 км от ядра. По распределению интенсивности во внутренней коме вычислили, что корабль пролетит на расстоянии менее 200 км от ядра, причем с его «вечерней» стороны. Наибольшая скорость была зарегистрирована в 15 ч 30 мин 43 с всемирного времени (UT) с возможной погрешностью всего в 3 с. Вторичный пик, заметный на графике, — вполне реальное явление, которое сейчас изучается, но ему пока не найдено объяснения. Во внешней коме степень поляризации имеет порядок 21%, тогда как во внутренней коме (ближе 1500 км) это значение уменьшается примерно до 11%, указывая на изменения свойств пыли на расстоянии 2000 км от ядра.

Система регистрации столкновений с частицами пыли (DID) вскоре после наибольшего сближения зафиксировала три удара. Массы частиц оказались 100, 2 и 20 мкг, что превышало ожидаемые значения. В связи с этим надо принять во внимание уменьшение чувствительности датчиков DID из-за более низкой скорости соударений при встрече с кометой Григга-Скьеллерупа по сравнению с кометой Галлея.

Конфигурация датчика DID на переднем и заднем противометеороидных экранах космического корабля Джотто. Показаны возможные расположения мест ударов трех крупных частиц (получившие названия в момент всеобщей научной эйфории!)


Торможение космического корабля в результате сопротивления пылевой оболочки обнаружили в ходе «Радиоэксперимента «Джотто» (GRE) во время встречи. Измерения доплеровского сдвига длин волн и фиксация расстояния до корабля, проводившиеся до и после сближения, позволили двумя методами определить полное изменение радиальной компоненты скорости корабля (вдоль луча зрения корабль — Земля) в 0,4 мм/с. Полагая, что передача импульсов кораблю ударами частиц была полностью неупругой, это торможение означает, что общая масса кометных частиц, встреченных кораблем, составляла примерно 39 мг. Это вызвало еще и небольшую нутацию оси вращения корабля при наибольшем сближении.

В одно и то же время наблюдательные станции в Вейльхайме (Германия) и в Мадриде зарегистрировали легкую флуктуацию уровня сигналов и внезапное уменьшение на 120 — 140 Гц частоты доплеровских сигналов. Однако оценка уменьшения скорости из-за ударов пыли, полученная двумя методами, была порядка 1 мм/с относительно кометы, что эквивалентно наблюдаемому доплеровскому сдвигу всего на 0,01 Гц, а это находится в согласии с результатами GRE. Тем не менее этот результат следует истолковывать с известной степенью осторожности, поскольку погрешности измерений здесь сравнимы с полученным значением.

Напрашивается вывод, что торможение КА пылью было весьма мало и поэтому по доплеровским измерениям фиксировалось с трудом. Сдвиг частоты, наблюдавшийся во время встречи, может быть объяснен внезапным изменением частоты бортового осциллографа, связанным с взаимодействием корабля с кометой. Эти измерения «на месте» были дополнены большим числом наземных наблюдений.

Таблица 1



Состояние научного оборудования Джотто во время его встречи с кометой Григга-Скьеллерупа
ПриборСостояниеАктивность во время встречи
Галлеевская многоцветная камераАпертура заблокирована; экран отсутствует, бездействуетНет
Нейтральный масс-спектрометрДетекторы вышли из строяНет
Ионный масс-спектрометр— повреждение высоковольтной системы
— повреждений нет
Нет
Да
Анализатор ударов частицМассовый спектр несколько искаженНет
Система регистрации ударов частицНекоторые детекторы показывают возрастание шумовДа
Оптический экспериментПовреждений нетДа
МагнитометрПовреждений нетДа
Джонстоновский анализатор плазмыВысоковольтная система одного из датчиков под сомнениемДа
Рэмовский анализатор плазмыСостав холодных ионов: повреждение высоковольтной системыНет

Таблица 2

Основные параметры сближения Джотто с кометами Григга-Скьеллерупа и Галлея

ПараметрГригг-СкьеллерупГаллей
Дата встречи10 июля 1992 г.14 марта 1986 г
Относительная скорость при сближении (км/с)13,9968,37
Расстояние при наибольшем сближении (км)200596
Гелиоцентрическое расстояние (а. е.)1,010,90
Геоцентрическое расстояние (а. е.)1,430,96
Расстояние от плоскости эклиптики (к югу, а. е.)0,100,02
Угол между осью вращения и вектором относительной скорости68,8°
Позиционный угол Солнца (относительно вектора скорости)89,6°107.2°

ЗАВЕРШЕНИЕ МИССИИ

После семилетнего пребывания корабля на около-солнечной орбите операции с «Джотто» были официально прекращены 23 июля 1992 г. после завершающего уточнения элементов орбиты и подготовки космического корабля к его третьей консервации.

Двигаясь по орбите 1 июля 1999 г., спустя 14 лет после запуска, «Джотто» пройдет в 219 000 км от земной поверхности. Дальнейшая работа с ним представляется сомнительной не только потому, что остатки топлива (4±3 кг) недостаточны для чего-либо большего, чем пролет мимо Земли и Луны в 1999 г., но и из-за старения самого корабля и наземных систем, используемых для работы с ним.

Перевод с английского
В. А. Бронштэна
Бюллетень ESA, 1992, № 72

!