GRAIL: NASA -ina misija preučevanja lunine teže

Leta 2011 je NASA-ina misija Gravita Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) poslala par satelitov velikosti pralnih strojev na nizko lunino orbito za skoraj eno leto. Zahvaljujoč natančnemu plesu vesoljskega plovila okoli lune so znanstveniki uspeli ustvariti zemljevid gravitacijskega polja z največjo ločljivostjo, narejen iz katerega koli nebesnega telesa. Rezultati so razkrili bogastvo nikoli vidnih lunarnih lastnosti v izvrstnih podrobnostih.



'Poskus razumevanja, kako je nastala luna in kako se je razvijala v svoji zgodovini, je ena od stvari, ki jih poskušamo obravnavati z misijo GRAIL,' je dejala Maria Zuber, glavna raziskovalka za GRAIL in profesorica na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu , je dejal v a izjavo pred zagonom misije. 'Toda tudi [poskušamo] razumeti, kako je luna primer, kako so na splošno nastali zemeljski planeti.'

V času, ko so krožili okoli lune, je vesoljsko plovilo doseglo oba cilja.

Pot natančnosti

Misijo GRAIL sta sestavljali dve srednje veliki vesoljski ladji, ki sta bili skoraj enaki. Peščica razlik med plovili je izhajala iz potrebe po letenju enega satelita pred drugim.



Vesoljsko plovilo se je močno opiralo na uspeh dvojnega zemeljskega vesoljskega plovila Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), ki je bilo lansirano približno devet let prej, leta 2002, na misiji preučevanja Zemljine teže. Znanstvena korist GRAIL-a je bila poenostavljena oblika GRACE-a, zasnova novejšega vesoljskega plovila pa je izhajala iz Lockheed Martin Experimental Small Satellite-11, ki je bil izstreljen leta 2005.

Primarni instrument obeh vesoljskih plovil GRAIL je bil Lunar Gravity Ranging System (LGRS). LGRS je prenašal radijske signale, ki so natančno določali razdaljo med obema vesoljskim plovilom. Ti signali so vesoljskemu plovilu omogočili natančno preslikavo gravitacije lunine površine.

GRAIL je bila tudi prva NASA -ina planetarna misija, ki je nosila instrumente, ki so v celoti namenjeni izobraževanju in ozaveščanju javnosti. Vsako vesoljsko plovilo je nosilo majhno kamero z imenom GRAIL MoonKAM (Mesečevo znanje, ki so ga pridobili učenci srednje šole), ki je zagotavljala slike in video posnetke lunine površine.



Na tisoče učencev od petega do osmega razreda je izbralo ciljna območja na luninem površju in svoje zahteve poslalo v operacijski center misije MoonKAM v San Diegu. MoonKAM je skupaj posnel več kot 115.000 posnetkov lunine površine, vse pa so zahtevali srednješolci iz vse države.

Obe vesoljski ladji GRAIL sta izstrelili 20. septembra 2011 na krovu ene rakete Delta II Heavy, ki jo je izdelala United Launch Alliance. Skupaj je par tehtal 1600 kilogramov. (725 kilogramov).

Vesoljsko plovilo je trajalo 3,5 meseca, da je prišlo do Lune in potovalo po poti, ki je zmanjšalo potrebe vesoljskega plovila po gorivu in omogočilo več časa za spremljanje vesoljskega plovila in iskanje curka plina z lunine površine.



Vesoljsko plovilo GRAIL se je približalo luni pod luninim južnim polom in nato vstopilo v mesečevo orbito-GRAIL-A 31. decembra 2011 in GRAIL-B 1. januarja 2012. Manevri so par postavili v skoraj polarno eliptično orbito to jih je pošiljalo okoli lune enkrat na 11,5 ur, čeprav je to sčasoma padlo na slabi 2 uri. Do sredine januarja 2012 je vesoljsko plovilo GRAIL po zaslugi skupine ustvarjalnih četrtošolcev iz Montane dobilo nova imena. 'Plima in oseka' je bil zmagovalni nastop na NASA-jevem državnem tekmovanju za šolsko starost za poimenovanje vesoljskega plovila.

Dvojno vesoljsko plovilo GRAIL z natančno tehniko letenja oblikuje luno

Dvojno vesoljsko plovilo GRAIL z natančno tehniko letenja oblikuje lunino gravitacijsko polje, kot je prikazano na upodobitvi tega umetnika. Slika je bila naložena 7. novembra 2013.(Zasluga za sliko: NASA/JPL-Caltech)

GRAIL je predčasno opravil svojo glavno nalogo. Od 1. marca 2012 do 29. maja 2012 sta obe vesoljski ladji potovali po polarni lunarni orbiti na nizki nadmorski višini le približno 55 kilometrov nad površino lune. Med podaljšano misijo je bila povprečna orbitalna višina 23 milj nad lunino površino, kar je postavilo satelite na razdaljo 5 km (8 km) od nekaterih višjih površin Lune.

'Če bi imela Ebb in Flow stopala, bi ju refleksno želeli potegniti navzgor vsakič, ko letijo čez goro,' je v svojem poročilu dejal Joe Beerer, vodja misije GRAIL -a. izjavo .

Par je naredil kratek odmor, ki se je med 29. majem in 30. avgustom 2012 izklopil, da bi se izognili pričakovanemu Luninemu mrku 4. junija istega leta, ko jim je revidirana orbita preprečila zbiranje sončne energije.

'Pred izstrelitvijo smo načrtovali, da se bo celotna glavna misija GRAIL -a pojavila med Luninimi mrki,' je dejal David Lehman, vodja projekta GRAIL iz NASA -jevega Laboratorija za reaktivni pogon. izjavo .

Podaljšano poslanstvo GRAIL -a je trajalo od 30. avgusta do 17. decembra 2012, ko je vesoljsko plovilo namerno strmoglavilo v lunarno površino.

Kartiranje lune

Glavni cilji misije GRAIL so bili določiti strukturo lunine notranjosti od skorje do jedra in izboljšati razumevanje toplotne zgodovine Lune. Za to je vesoljsko plovilo dvojček ustvarilo zemljevid lunine površine z neverjetno visoko ločljivostjo.

Ko sta Ebb in Flow potovala po območjih z večjo ali manjšo težo, ki sta jo povzročili vidni in skriti elementi, se je razdalja med obema vesoljskim plovilom nekoliko spremenila-približno desetina mikrona ali nekaj več kot polovica velikosti rdeče krvne celice.

'Dvojčka GRAIL [bi] lahko zaznala spremembo svojega položaja do polovice človeških las,' je zapisala NASA izjavo .

Natančne spremembe položaja so vesoljskemu plovilu omogočile poglobljen zemljevid spreminjanja gravitacijskega vlečenja lune, ko so letele nad površino.

Te spremembe so razkrile gravitacijske učinke ne le znanih gora in kraterjev, ampak tudi maskonov. Mascons so območja planeta ali lunine skorje, ki vsebujejo presežne anomalije pozitivne gravitacije, kar kaže na prisotnost dodatne mase v regiji. Izvor maskonov je od njihovega odkritja leta 1968 skrivnost, čeprav se raziskovalci na splošno strinjajo, da so posledica starodavnih vplivov pred milijardami let.

'Podatki GRAIL-a potrjujejo, da so lunarni maskoni nastali, ko so veliki asteroidi ali kometi trčili na starodavno luno, ko je bila njena notranjost veliko bolj vroča, kot je zdaj,' je dejal Jay Melosh, raziskovalec GRAIL-a na univerzi Purdue. izjavo . GRAILOV zemljevid je razkril tudi obilo podrobnosti, ki jih še nikoli nismo videli v podrobnostih, kot so tektonske strukture, vulkanske oblike zemljišč, kotlinski obroči, osrednji vrhovi kraterjev in številni preprosti kraterji v obliki sklede. GRAIL je tudi razkril, da je lunino gravitacijsko polje drugačno od katerega koli kopenskega planeta v sončnem sistemu, NASA je povedala .

'Karta nam pove, da luna bolj kot katera koli druga nebesna telesa, ki jih poznamo, nosi gravitacijsko polje na rokavu,' je dejal Zuber. 'Ko opazimo opazno spremembo gravitacijskega polja, lahko to spremembo sinhroniziramo s značilnostmi površinske topografije, kot so kraterji, reke ali gore.'

Zuber pravi, da lunine gravitacijsko polje deluje kot zapis nevihte udarcev, ki so nekoč bombardirali vsa kopenska planetarna telesa. To polje razkriva tudi dokaze o zlomu lunine notranjosti, ki sega do globoke skorje in morda plašča.

LROC NAC stereo izpeljana topografska karta območja udarca GRAIL, zemljevid je širok 8400 metrov, sever navzgor. Slika je bila objavljena 19. marca 2013.

LROC NAC stereo izpeljana topografska karta območja udarca GRAIL, zemljevid je širok 8400 metrov, sever navzgor. Slika je bila objavljena 19. marca 2013.(Zasluge za sliko: NASA/GSFC/Arizona State University)

Ebb in Flow sta razkrila, da je gostota lunine gorske skorje bistveno nižja, kot se na splošno domneva, kar se ujema s podatki, pridobljenimi med zadnjimi misijami Apollo v zgodnjih sedemdesetih letih. To nakazuje, da so vzorci luninih kamnin, ki so jih na Zemljo prinesli astronavti Apollo, značilni za globalne in ne za regionalne procese.

GRAIL je tudi ugotovil, da je povprečna debelina lunine skorje približno 6 do 12 milj (10 do 20 km) tanjša, kot se je prej mislilo - med 34 in 43 km.

'S to debelino skorje je obsežna sestava Lune podobna Zemljini,' je dejal Mark Wieczorek, raziskovalec GRAIL-a na Institut de Physique du Globe de Paris izjavo . 'To podpira modele, pri katerih luna izvira iz zemeljskih materialov, ki so bili izvrženi med velikanskim udarcem na začetku zgodovine sončnega sistema.'

GRAIL je razkril tudi izvor strmega obrisa lunine površine, znan kot Ocean neviht ali ocean neviht. Zgodnje teorije kažejo, da je regijo ustvaril udar asteroida. Vendar pa je GRAIL našel dokaze, da je Ocean of Storms pravokotna regija, ki se razteza približno 1600 milj (2600 km) čez, kar je dejansko posledica nastanka starodavnih razpokanih dolin. Ko se je lunarna površina tukaj ohladila in skrčila, se je odmaknila od okolice in ustvarila obsežne zlome, podobne razpokam, ki nastanejo v blatu, ko se izsuši.

'Pravokotni vzorec gravitacijskih anomalij je bil popolnoma nepričakovan,' je dejal Jeff Andrews-Hanna, raziskovalec GRAIL-a na rudarski šoli Colorado v Goldenu v Koloradu in vodilni avtor članka. izjavo . 'Zdaj lahko jasno in v celoti vidimo strukture, ki so bile omenjene le s površinskimi opazovanji.'

Konec misije

Poslanstvo GRAIL -a se je končalo, ko je vesoljskim plovilom zmanjkalo goriva. Ekipa se je odločila, da bo par poslala v sijaju slave in jih namerno strmoglavila na površino lune v upanju, da bo ob udarcu razkrila več o sestavi lune.

Toda pred trkom je GRAIL zaključil še zadnji poskus. Petdeset minut pred udarcem 17. decembra 2012 sta obe vesoljski ladji sprožili motor, dokler se gorivo ni izpraznilo, kar je manever, namenjen natančni določitvi količine goriva, ki ostane v rezervoarjih. To zadnje dejanje je NASA -in inženirjem pomagalo potrditi računalniške modele in izboljšati napovedi potreb goriva za prihodnje misije.

Ker je luna od Zemlje oddaljena približno 380 km, bi bilo opazovanje udarcev GRAIL z našega planeta izziv. Tako so tri tedne pred načrtovanim udarcem raziskovalci GRAIL -a stopili v stik z Nasino ekipo Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), ki je prav tako preučevala Luno.

Ekipa LRO se je trudila, da bi postavila svoj orbitor, da bi bila priča ognjeni smrti GRAIL -a. Ko sta oseka in tok prileteli na površje, je bil LRO le približno 160 kilometrov od lunine površine. Ker je bilo mesto nesreče v senci, je morala ekipa počakati, da so se perje dvignile dovolj visoko, da so bile vidne na sončni svetlobi. Instrumenti LRO so v perju odkrili živo srebro in vodik.

Dvojno vesoljsko plovilo GRAIL je 17. decembra 2012 trčilo na Luno, LROC je 28. februarja 2013 lahko posnel udarne kraterje, na katerih sta oba premera približno 5 metrov. Zgornje plošče prikazujejo območje pred udarcem; spodnje plošče po udarcu. Puščice kažejo na lokacije kraterjev. Slika je bila objavljena 19. marca 2013.

Dvojno vesoljsko plovilo GRAIL je 17. decembra 2012 trčilo na Luno, LROC je 28. februarja 2013 lahko posnel udarne kraterje, na katerih sta oba premera približno 5 metrov. Zgornje plošče prikazujejo območje pred udarcem; spodnje plošče po udarcu. Puščice kažejo na lokacije kraterjev. Slika je bila objavljena 19. marca 2013.(Zasluge za sliko: NASA/GSFC/Arizona State University)

Počivališča Ebb's in Flow so relativno majhna, s premerom le približno 13 do 20 čevljev (4 do 6 metrov). Material, ki je bil razstreljen zaradi udarcev, je na lunini površini ustvaril nenavadne temne vzorce.

'Sveži udarni kraterji na Luni so običajno svetli, vendar so lahko temni zaradi mešanja materiala vesoljskih plovil z izmetom,' je v izjavi dejal član ekipe LRO Mark Robinson z državne univerze v Arizoni.

Oba mesta udarca ležijo na južnem pobočju neimenovane gore in sta narazen približno 2200 m. Odpad je trčil v tla približno 30 sekund pred Flowom, ki je ustvaril svoj krater zahodno in severno od dvojčka.

Kmalu po propadu para sta bila njihova kraterja poimenovana v čast nekdanjega astronavta in vodje ekipe GRAIL -a, Sally Ride, ki je umrla julija 2012, medtem ko je misija potekala.

'Sally se je ukvarjala le z raziskovanjem vesolja, navdihovanjem naslednje generacije ali s tem, da je misija GRAIL dosegla izjemen uspeh,' je dejal Zuber v izjavo . 'Ko zaključujemo svoje lunarno poslanstvo, smo ponosni, da lahko spoštujemo prispevke Sally Ride tako, da poimenujemo ta kotiček lune po njej.'

V svoji 15-mesečni misiji je GRAIL izboljšal naše razumevanje lune in sprejel nekaj korakov, potrebnih za to, da se ljudje na koncu vrnejo na površino lune.

'Ko bo NASA napredovala z raziskovalnimi prizadevanji, bodo naše lunine znanstvene misije lahka boja, ki bo vodila pot prihodnjih človekovih dejavnosti,' je dejal Jim Green, takratni direktor oddelka za planetarne znanosti pri direktoratu za znanstveno misijo v Washingtonu. a izjavo .

Dodatni viri :