Rosetta. Vilppu Kekkonen. Lauri Heininen. Joose Peitola. Juuso Tuppurainen. Linda Laakkonen

Transkriptio

1 2014 Rosetta Vilppu Kekkonen Lauri Heininen Joose Peitola Juuso Tuppurainen Linda Laakkonen

2 1 2. Briefly in English Rosetta is a space mission whose purpose is get more detail about the structure of comets and the history of our solar system. The Rosetta-probe is orbitin comet 67P/Churymov- Gerasimenko. LATMOS and Finnish Meteorological Institute have developed many of the instruments aboard. At our visit in LATMOS Anthony Lethuillier gave to us a presentation about Rosetta s mission and the instruments which have been developed on LATMOS, especially PP instrument which is located in Philae s legs. The probe was launched in 2004 and it reached its destination in August In November 2014 the Philae-lander will detach from the Rosetta probe and land on the comet. Because the comet is too small to have a large enough gravitational force, the lander will have to drill its legs into the surface of the comet. After landing, the lander will examine the dust particles on the surface of the comet, and also the molecular composition of the coma. The lander will also measure the electrical characteristics of the subsurface to find signs of water. The Rosetta project got its name from the ancient Egyptian Rosetta-stone which helped humans solve the hieroglyphs and their corresponding ancient greek words. The Rosetta-project is supposed to give us information about the unknown and help us know more about comets and their lifespan, how they were formed and where do they come from.

3 2 Sisällys 1. Latmos -tiedekoulu 2. Mikä on komeetta? 3. Rosetta 4.2 Rosetan vaiheet 4.3 Komeetta 67P/Churymov-Gerasimenko 4.4 Projektin tarkoitus 4.5 Laitteet Kiertolaisessa olevat mittalaitteet: Laskeutuja Philaen sisältämät laitteet: 4.6 Kiertorata Liite 1: Painovoimalingon matematiikkaa: 5. Lähteet:

4 3 1. Latmos -tiedekoulu Mikkelin lukiosta on vuodesta 2012 asti järjestetty tiedekoulu Pariisiin Latmos- ja IAStutkimuslaitoksiin. Matkalla opiskelijat tutustuvat erilaisiin ajankohtaisiin aiheisiin, kuten Mars -mönkijään. Tämän mahdollisti tutkija Anni Määttänen, jonka mukana saimme tutustua tutkimuslaitoksiin ja Pariisin kaupunkiin. 2. Mikä on komeetta? Komeetta on jäästä, pölystä ja kaasusta muodostunut kappale, joka kiertää aurinkoa. Komeetat koostuvat ytimestä, komasta,vetypilvestä ja pöly- ja kaasuhännästä. Ydin on sekoitus jäätä, hiilidioksidia, metaania, hiilimonoksidia, soraa ja pölyä. Ytimen koko on muutamasta kilometristä 50 kilometriin. Sen ympärillä on auringon vaikutusten irrottama pöly- ja kaasukerros, joita kutsutaan hunnuksi. Komeetan koossa pitävät voimat siinä määrin heikot, että kaasua ja pölyä irtoaa pinnalta muodostaen kaksi häntää eli pyrstöä. (kuva 1) Pölypyrstö on seuraus auringon säteilypaineesta ja kaasupyrstö aurinkotuulesta. Pyrstön pituus voi olla satoja miljoonia kilometrejä. Komeettojen uskotaan olevan jäänne aurinkokunnan alkuajoilta. Silloin ne tiivistyivät ja sinkoutuivat kaukaisille kiertoradoille. Kiertoratojen mukaan ne voidaan jakaa kahteen ryhmään: pitkäperioidisiin ja lyhytperioidisiin. Lyhyperioidiset ovat peräisin eri komeettapopulaatioista Kuiperin vyöhykkeeltä.

5 Kuva 1: Komeetan pyrstöt 4

6 5 Kuva 2: Kuiperin vyöhykkeen sijainti 3. Rosetta Rosetta on projekti, jonka tarkoituksena on saada lisätietoa komeettojen ainekoostumuksesta. Tällä hetkellä komeetan 67P/Churyumov-Gerasimenko luona oleva Rosetta kiertää komeettaa. Marraskuussa 2014 Rosetta -luotaimesta irtoaa Philae - laskeutuja, joka tarttuu komeetan pintaan. Luotaimessa ja laskeutujassa on monenlaisia tutkimuslaitteita, jotka mittaavat erilaisia arvoja komeetan pinnalta. Luotain on saanut nimensä Egyptistä löydetystä Rosettan kivestä, joka auttoi aikanaan ratkaisemaan

7 6 egyptiläisten hieroglyfien arvoituksen (kiveen oli kirjoitettu sama teksti egyptiläisillä aakkosilla, hieroglyfeillä ja kreikkalaisilla aakkosilla). Samalla tavalla luotaimen toivotaan valaisevan aurinkokunnan syntyyn liittyviä arvoituksia. 4.2 Rosettan vaiheet Rosettan matka on kestänyt noin 10 vuotta. Vuonna 2003 Rosetta suunniteltiin laukaista kohti komeettaa nimeltä 48P/Wirtanen, joka kuitenkin eteni ulottumattomiin, koska laukaisu viivästyi. Tämän jälkeen uudeksi kohteeksi asetettiin komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenko ja maaliskuussa 2004 laukaisu toteutui ja matka sai alkunsa. Rosettan matkustettua 7 vuotta se jouduttiin asettamaan lepotilaan vuonna 2011, koska aurinkopaneeleiden teho ei riittänyt. 20.päivänä tammikuuta 2014 Rosetta heräsi sisäisen herätyskellon avulla suunnitelmien mukaan lepotilasta. Elokuussa 2014 Rosetta saapui sadan kilometrin päähän määränpäästä. Alustavasti on kaavailtu, että Philae laskeutuu komeetan pinnalle Rosetan havainto-ohjelma päättyy Komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenko Niin kuin useimmat komeetat 67P/C-G on nimetty löytäjiensä mukaan. Vuonna 1969 Klim Ivanovic Churyumov oli tutkimassa komeetan 32P/Comas Solá kuvaa, jonka Svetlana Ivanovna Gerasimenko oli ottanut. Churymov huomasi kuvassa toisen komeetan kaltaisen kappaleen. Kappale paljastui uudeksi komeetaksi, joka sai nimensä Churyumovin ja

8 7 Gerasimenkon mukaan. 67P/Churyumov-Gerasimenkon kiertoaika auringon ympäri on 6,45 vuotta. Sen seuraava periheli tapahtuu 12. elokuuta Komeetan pystyy havaitsemaan teleskoopilla maan pinnalla, mutta pöly- ja höyrykerroksen takia se ei ole kannattavaa. 67P/C-G onkin luokiteltu pölyäväksi komeetaksi. Se on yksi lyhytperioidisista komeetoista, joiden kiertoaika on alle 20 vuotta. Näitä komeettoja kutsutaan Jupiterin perheen komeetoiksi, sillä ne ovat Jupiterin painovoiman alaisia. Komeettojen oletetaan olevan peräisin Kuiperin vyöhykkeestä. Rosetta kohtasi 67P/C-G:n Itse luotaimen kiertäessä komeetan jäistä ydintä lasketaan pinnalle Philae-laskeutuja. Philae laskeutuu ja se on ensimmäinen avaruusluotain komeetan pinnalla. Laskeutuminen komeetan pinnalle ei ole helppoa mm. sen muodon vuoksi. 67P/C-G on luultavasti syntynyt kahden komeetan välisessä, joka on muodostanut sille epätasaisen pinnan. Toisaalta siihen on voinut vaikuttaa esimerkiksi toisen kappaleen painovoima, tai merkittävä määrä jäätä on saattanut haihtua sen pinnalta ja jättänyt epäsymmetrisen muodon. Rosetta on jo selvittänyt esimerkiksi komeetan pintalämpötilan, joka on noin K. Lämpötila on kuitenkin kohoamassa komeetan lähestyessä Aurinkoa.

9 8 Kuva 3: Komeetan 67P/C-G sijainti tähtitaivaalla Kuva 4: Komeetta 67P/C-G

10 9 4.4 Projektin tarkoitus Tarkoituksena on lähettää Rosetta niminen luotain avaruuteen samalle kiertoradalle komeetta 67P/C-G:n kanssa. Luotain kuljettaa mukana laskeutujan nimeltä Philae, jonka jonka tarkoituksena on laskeutua komeetan pinnalle ja kiinnittyä siihen. Philaen tehtäviin kuuluu mm. komeetan pinnan vesipitoisuuden mittaaminen, pinnan alkuaine- ja isotooppikoostumuksen tutkiminen, kemiallisen ja isotooppikoostumuksen erojen tutkiminen sekä orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden tutkiminen. Näitä asioita tutkimalla on tarkoitus selvittää millainen aurinkokunta on ollut ennen planeettojen muodostumista ja tutkia komeettojen mahdollista vaikutusta maassa esiintyvien elementtien syntyyn. 4.5 Laitteet Itse luotain on henkilöauton kokoinen ja koostuu kiertoradalle jäävästä osasta ja Philaelaskeutujasta. Siinä on myös kaksi 14 metriä pitkää aurinkopaneelia. Laskeutujassa on kolme joustavaa jalkaa, joiden avulla se voi laskeutua epätasaisellekin alustalle ja jalat ruuvautuvat laskeutumisen jälkeen kiinni komeetan pintaan, sillä komeetan painovoima on niin pieni, ettei se riitä pitämään laskeutujaa pinnalla. Philaessa on myös pieni rakettimoottori, joka painaa sen komeetan pintaa vasten.

11 10 Kuva 5: Philae-laskeutujan täysikokoinen malli IAS-tutkimuskeskuksessa. Kiertolaisessa olevat mittalaitteet: ALICE (An Ultraviolet Imaging Spectrometer): Mittaa komeetan ja sen pyrstön vesi- ja hiilidioksidipitoisuuksia. Se analysoi myös komeetan pinnan koostumusta. CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission): Tutkii komeetan sisäosia radioaaltojen avulla. COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyser) Kiertoradalle jäävässä osassa sijaitseva COSIMA mittaa komeetan ja sen lähiympäristön alkuaine- ja isotooppikoostumusta, kemiallisen ja isotooppikoostumuksen eroja ja orgaanista ja epäorgaanista molekyylikoostumusta.

12 11 Toiminta: GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator): Tutkii komeetasta ja muualta lähtevää pölyä, sen määrää ja nopeutta. MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System): Mittaa komeetan ja asteroidien ympäristön pölyä, miten paljon sitä on ja minkäkokoista ja - muotoista se on. MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter): Määrittää kaasujen esiintymistä komeetalla ja sen pinnan alaista lämpötilaa. OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System): Laitteessa on kaksi erilaista kameraa, joilla saadaan korkean resoluution kuvia komeetan pinnalta. ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis): Laitteessa on kaksi sensoria, joilla määritetään komeetan ilmakehää ja ionosfääriä. Lisäksi laitteella tarkkaillaan varattujen hiukkasten liikenopeuksia ja sitä, mihin reaktioihin ne osallistuvat. RPC (Rosetta Plasma Consortium): Laitteen viisi sensoria tutkivat komeetan fysikaalisia ominaisuuksia ja sisärakennetta. Sillä tutkitaan myös komeetan vuorovaikutusta aurinkotuulen kanssa. RSI (Radio Science Investigation): Laite mittaa komeetan massaa ja sen aiheuttamaa gravitaatiokenttää taajudeltaan vaihtelevilla radioaalloilla. Näillä tiedoilla voidaan tehdä päätelmiä komeetan radasta ja sisärakenteesta. VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer):

13 12 Selvittää komeetan pinnalla olevien kiinteiden aineiden luonnetta ja lämpötilaa. Sekä tunnistaa komeetan kaasuja ja auttaa kartoittamaan parhaita laskeutumispaikkoja. Laskeutuja Philaen sisältämät laitteet: APXS (Alpha X-ray Spectrometer): Laite lasketaan neljän senttimetrin päähän pinnasta jolloin sillä koetetaan havaita alfa hiukkasia ja röntgensäteitä. CIVA: Koostuu kuudesta mikrokamerasta jotka ottavat panoraamakuvia komeetan pinnasta. COSAC (Cometary sampling and Composition experiment): Havaitsee monimutkaisia orgaanisia molekyylejä ja analysoi komeetan kaasuja. PTOLEMY: Kehittynyt kaasuanalysaattori, joka tutkii aineiden isotooppien suhteita. MUPUS (Multi-purpose Sensors for Surface and Subsurface Science): Käyttää laskeutujan ankkuria ja antureita mitatakseen komeetan pinnan tiheyttä ja sen termisiä ja mekaanisia ominaisuuksia. ROLIS (Rosetta Lander Imaging System): CCD-kamera, joka ottaa korkean resoluution kuvia laskeutujan laskeutumisen aikana. ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor): Analysoi komeetan magneettikenttää ja komeetan vuorovaikutusta aurinkotuulen kanssa. SD2 (Sample and Distribution Device): Porautuu komeetan pintaan yli 20 senttimetrin syvyyteen ja kerää näytteitä.

14 13 SESAME: Sisältää kolme laitetta, joilla tutkitaan komeetan ulompia kerroksia. Nämä laitteet ovat: CASSE (The Cometary Acoustic Sounding Surface Experiment): Tutkii äänen kulkemista komeetan läpi. DIM (Dust Impact Monitor) Mittaa pölyn laskeutumista komeetan pinnalle. PP(Permittivity Probe) : PP-anturit on sijoitettu Philaen jalkoihin ja niillä on tarkoitus mitata komeetan pintakerroksen vesipitoisuutta ja muutoksia sen lähestyessä aurinkoa. PP:n toiminta perustuu kahteen vaihtojännite-elektrodiin, jotka syöttävät virtaa komeetan pintaan. Näin mitataan pinnan sähkön johtavuutta ja aineen permittiivisyyttä. Aiheutuva sähköinen potentiaali ja sen vaihe-ero syöttöjännitteeseen nähden mitataan kahdella muulla elektrodilla. Mittauksen tulokset riippuvat erityisesti aineen molekyylien veden määrästä ja lämpötilasta, joten mittausten avulla voidaan laskea komeetan vesipitoisuus ja vesihöyryn muodostumisnopeus. Pinnan permittiivisyysrakenne voidaan mitata aina kahden metrin syvyyteen asti. Laitetta voidaan myös käyttää ilman jännitettä, jolloin sillä voi havaita tietyntaajuisia plasma-aaltoja, joita syntyy, kun aurinkotuuli vaikuttaa komeetan hunnun kanssa. 4.6 Kiertorata Rosettan matka kohteeseen on polttoaineen säästämiseksi tehty käyttäen luotaimen kiihdyttämiseen planeettojen gravitaatiokenttiä ns. painovoimalinkona (gravity assist). Painovoimalinko perustuu energian ja liikemäärän säilymiseen. Planeettaa lähestytään

15 14 takaa päin ja lennetään sen ohi, jolloin planeetta lisää aluksen nopeutta ja muuttaa hieman sen suuntaa. Kuva 6a: Alus lähestyy planeettaa takaapäin nopeudella V (musta nuoli). Kuva 6b: Planeetan nopeus aurinkoon nähden (punainen nuoli) lisää aluksen nopeutta. Aluksen nopeus ohituksen jälkeen on näiden kahden nopeuden vektorisumma (sininen nuoli). Kuva 7: Sama vielä yksinkertaistetummassa muodossa.

16 15 Jotta ymmärretään miksi, luotaimen nopeus kasvaa turvaudumme suhteelliseen liikkeeseen ja siihen liittyviin koordinaatiston muutoksiin (ns. Galilei-muunnos tai suhteellisuusteoriassa Lorenzin muunnos). Aluksi tarkastellaan nopeutta planeetan inertiaalikoordinaatistosta (eli planeetan näkökulmasta) ja todetaan, että alus tulee sitä kohti jollain nopeudella v. Se saapuu takaa päin planeetan gravitaatiokenttään ja planeetta liikkuu nopeudella u. Planeetan gravitaatiokenttä lisää aluksen nopeutta planeetan suhteen u:n verran. Mutta aluksen inertiaalikoordinaatistosta tarkasteltuna nopeus on kasvanut 2u (joka on aluksen nopeuden kasvu avaruuden suhteen). Hyvä analogia normaalimaailmaan on pesäpallomaila ja pallo. Pallo lentää mailaa kohti nopeudella x ja maila liikkuu sitä kohti nopeudella y. Mailan koordinaatistosta katsottuna pallo lähestyy sitä nopeudella x. Maila osuu palloon ja kasvattaa sen nopeutta y:llä (itsensä suhteen), mutta koska maila jatkaa etenemistään lyönnin jälkeenkin nopeudella y, on pallon lopulliseen nopeuteen maan suhteen lisättävä y vielä toisen kerran. Aiheeseen liittyvää matematiikkaa on esitelty internet-osoitteissa, jotka ovat liitteessä 1.

17 16 Kuva 8: Rosettan reitti komeetalle. Mukana radan muutokset ja aikataulu. Rosettan kiihdytys tarvittavaan nopeuteen komeetan radan saavuttamiseksi on siis tehty hurjan polttoaine kuorman sijaan kierrättämällä luotainta Maan ja Marsin välillä, jolloin niiden gravitaatiokentät ovat lisänneet luotaimen nopeutta (kuten kuvasta voi nähdä). Saavutettuaan komeetan Rosetta alkaa seurata sitä kolmionmuotoisella radalla, sillä komeetan oma painovoima ei riitä pitämään luotainta elliptisellä radalla. Komeetan pieni painovoima asettaa haasteita myös Philaen laskeutumiselle. Komeetan painovoima on niin pieni että, Philae saattaa kimmota takaisin avaruuteen. Tämä on kuitenkin otettu huomioon rakennusvaiheessa ja Philaella on useita tapoja kiinnittyä komeettaan.

18 17 Liite 1: Painovoimalingon matematiikkaa: 5. Lähteet: vhayl-pyeirpi-4ad