Pohľadnice z Vesty

  • Marcel Škreka | 18 Október 2012
    Slnečná sústava
Obrázok získaný 24. júla 2011 zo vzdialenosti 5200 km patrí medzi prvé snímky pre navigačné účely a prípravu na vedecké pozorovania. Kredit NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
Sonda Dawn nám sprostredkovala blízky pohľad na asteroid 4 Vesta - člena početnej skupiny telies hlavného pásu asteroidov rozprestierajúceho sa medzi dráhami Marsu a Jupitera. Počas 13-ich mesiacov strávených na orbite okolo telesa fotografovala zaujímavé scenérie, ale priniesla aj mnoho hodnotných vedeckých poznatkov, ktoré budú vedci ešte roky analyzovať. Dawn je momentálne na ceste k ďalšiemu telesu hlavného pásu asteroidov, trpasličej planéte Ceres, ku ktorému priletí vo februári 2015.

Sonda Dawn odštartovala 27. septembra 2007 z Mysu Canaveral na nosnej rakete Delta II. 17. februára 2009 preletela vo výške 550 km nad povrchom Marsu, ktorý ju gravitačne urýchlil o 2,6 km/s. Manéver vedci využili aj ku kalibrácii niektorých vedeckých prístrojov na palube sondy. K asteroidu Vesta dorazil Dawn 16. júla 2011. Stal sa tak prvou sondou obiehajúcou teleso hlavného pásu asteroidov. Počas štvorročnej púte sonda prekonala 2,8 miliardy km a zmenila rýchlosť o 6,7 km/s.

Pohonný systém sondy zabezpečuje trojica iónových motorov. Iónový motor používa na urýchľovanie prúd iónov, ktorý umožní sonde dosiahnuť vyššie rýchlosti ako ktorýkoľvek iný dnes známy pohon. Tieto rýchlosti sú však dosiahnuteľné len s veľkou trpezlivosťou. Z 0 na 100 km/h potrebuje Dawn zrýchľovať plné 4 dni. Toto takmer nepostrehnuteľné zrýchľovanie musí byť preto kompenzované dobou, počas ktorej sú motory schopné sondu urýchľovať. Všetko xenónové palivo (425 kg) sondy Dawn by pri maximálnom ťahu motorov stačilo na viac ako 4 roky nepretržitého chodu, čo je doterajší rekord. Iónové motory teda pracujú nesmierne efektívne.

K vedeckému vybaveniu na palube sondy patrí dvojica identických kamier so siedmimi farebnými filtrami. Úlohou kamier je skúmať základné mineralogické zloženie povrchu asteroidu.
Detektory gama žiarenia a neutrónov používajú 21 senzorov so širokým zorným poľom k meraniu energie subatomárnych častíc vysielaných prvkami z vrchnej, asi 1m hrubej povrchovej vrstvy. S ich pomocou je možné zistiť chemické zloženie najvrchnejších vrstiev Vesty.
Vizuálny a infračervený spektrometer majú za úlohu skúmať zastúpenie minerálov na povrchu asteroidu omnoho detailnejšie ako kamery.
Iný súbor vedeckých meraní zabezpečuje rádiový vysielač v kombinácii s citlivými anténami na Zemi. Vedci pritom sledujú drobné zmeny v čase príchodu signálu na Zem zodpovedajúce zmenám v gravitačnom poli telesa. Tieto údaje poskytli dôležité informácie o vnútornej štruktúre Vesty.

vesta15.pngPorovnanie veľkosti Vesty s inými podobnými telesami slnečnej sústavy. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA

vesta01.pngPorovnanie veľkostí deviatich asteroidov. Takmer celú zobrazenú pologuľu Vesty pokrýva impaktný kráter Rheasilvia s výrazným centrálnym pahorkom. Kredit: NASA/JPL-Caltech/JAXA/ESA

Asteroid oficiálne pomenovaný "4 Vesta" bol objavený 29. marca 1807 H. W. Olbersom ako štvrté teleso hlavného pásu asteroidov. Pri pozorovaní zo Zeme je najjasnejším objektom tohto pásma telies nachádzajúceho sa medzi dráhami Marsu a Jupitera. Vesta má mierne nepravidelný tvar so stredným priemerom 525 km. Okolo svojej osi sa točí relatívne rýchlo, deň tu trvá len 5 h a 20 min. Najvýraznejším útvarom Vesty je obrí kráter v oblasti južného pólu - Rheasilvia, ktorý je 460 km široký a približne 13 km hlboký. Porovnateľne veľký kráter na Zemi by zaberal plochu Tichého oceánu. V jeho strede sa nachádza centrálny pahorok týčiaci sa 15 km nad stredný priemer telesa. Mohutný náraz, ktorý kráter vytvoril, vymrštil do medziplanetárneho priestoru 1% hmotnosti asteroidu.

Hoci bol Dawn na obežnej dráhe okolo Vesty už od 16. júla 2011, fáza približovania trvala ešte ďalšie 3 týždne. Počas tohto obdobia sonda pátrala po možných mesiacoch Vesty a pomocou gravitačného pôsobenia na sondu spresňovala výpočet hmotnosti asteroidu. V čase príletu sondy k Veste bola v blízkosti severného pólu polárna noc. Vedci preto nemohli fotografovať oblasti asteroidu ponorené v tme.

Sonda počas vedeckej časti misie zmenila niekoľkokrát výšku obežnej dráhy okolo Vesty. Prvá - prehliadková dráha sa nachádzala vo výške približne 2700 km nad povrchom a vedcom poskytla celkový pohľad na asteroid. Hlavnou úlohou sondy na tejto dráhe bolo zhotoviť celkovú geologickú mapu pomocou vizuálneho a infračerveného spektrometra. Sonda tu zotrvala 20 dní, počas ktorých Vestu obehla 7 krát.

Po prehliadkovej fáze sa zapli iónové motory a Dawn mesiac klesal do výšky 680 km nad povrch asteroidu na dráhu označenú ako vysoká mapovacia dráha (High Altitude Mapping Orbit - HAMO). Jeden obeh mu trval 12,3 hodiny. Pohľad na Vestu z dráhy HAMO.

Dawn presnejšie určil orientáciu rotačnej osi Vesty a bol zadefinovaný systém zemepisných súradníc. Nultý poludník bol stanovený kráterom Claudia (priemer 500m). Krátery boli pomenované po kňažkách bohyne Vesty a známych rímskych ženách, kým iné útvary dostali mená po sviatkoch a mestách tej doby.

vesta04.pngSnímka je v upravených farbách. Červenou farbou pod kráterom je zobrazený materiál vyvrhnutý po náraze meteoritu. Nasnímané z výšky 2700 km, rozlíšenie 260 m/pixel. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Vysokú mapovaciu dráhu (HAMO) dosiahol Dawn 27. septembra 2011. Pri prelietavaní nad dennou stranou sonda skúmala povrch a pri lete nad nočnou stranou posielala nazhromaždené údaje na Zem. Na tejto výškovej hladine sonda zhotovila základnú topografickú a farebnú (mineralogickú) mapu osvetlenej časti povrchu. Na základe topografických údajov sa v porovnaní s väčšinou asteroidov hlavného pásu zdá byť povrch Vesty viac hrboľatý. Z hustoty kráterov vedci usudzujú, že vek povrchu južnej pologule je 1 až 2 miliardy rokov, je teda omnoho mladší ako povrch severnej pologule.

vesta05.pngJužná pologuľa vo farbách vycentrovaná na útvar Rheasilvia. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Vesta je svet s pestrým mineralogickým zložením. Mineralogické rozdiely sú najvýraznejšie v okolí kráterov a v miestach, kde došlo k zosuvom pôdy a sú tam viditeľné odkryté vrstvy minerálov. Podľa doterajšieho výskumu sa zdá, že je prechodným objektom medzi terestrickými (Zemi podobnými) planétami a ostatnými asteroidmi. Jej železné jadro (s priemerom približne 110 km) sa skôr podobá jadrám terestrických planét. Rozdielne zloženie jednotlivých vrstiev súvisí s geologickým vývojom telesa, ktorého vnútro bolo po svojom vzniku roztavené a umožnilo rozdiferencovanie na jadro, plášť a kôru.

8. decembra 2011 sa sonda dostala na ešte nižšiu obežnú dráhu zvanú nízka mapovacia dráha (Low Altitude Mapping Orbit - LAMO) vo výške 210 km nad povrchom. Z malej výšky mohli prístroje na palube sondy snímať povrch Vesty s vyšším rozlíšením. Z tejto dráhy sonda zmerala štruktúru gravitačného poľa s vysokou presnosťou. Pomocou gama a neutrónového detektora pátrala po časticiach vznikajúcich pri zrážkach kozmického žiarenia s atómami na povrchu Vesty. Na základe tohto experimentu poznáme chemické zloženie jej povrchu.

vesta06.pngPrvé snímky z LAMO. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Mechanizmus, akým sa voda dostáva na terestrické planéty je predmetom rozsiahlej debaty. Vedcov preto zaujímala otázka prítomnosti vody, či už na povrchu, alebo pod ním. Pred príletom sondy sa predpokladala prítomnosť vody v blízkosti pólov. Vesta však pravdepodobne nemá väčší počet kráterov nachádzajúcich sa v trvalom tieni, kde by mohol vodný ľad pretrvať dlhšie obdobie. Dôvodom je sklon rotačnej osi 27°, ktorý zapríčiňuje, že v priebehu roka je slnečným lúčom vystavovaný postupne celý povrch Vesty.

K udržaniu sa vodného ľadu v niekoľkých vrchných metroch pôdy by mala stačiť teplota pod 145 K (-128°C). Podľa teplotnej mapy povrchu s vysokým rozlíšením sa takáto teplota nachádza mimo pásma obopínajúceho rovník, širokého 50°. Celkovo teploty kolíšu medzi 250 K (-23°C) na slnečnej strane a 83 K (-190°C) v tieni, pričom zmeny prichádzajú veľmi rýchlo. Dôvodom je absencia atmosféry, ktorá by teplotné rozdiely kompenzovala.

Paradoxná je preto detekcia vodíka v rozsiahlej oblasti blízko rovníka. Vedci predpokladajú, že vodík je viazaný v mineráloch v podobe molekúl hydroxylu (OH-), alebo vody. Tieto hydratované minerály (v ktorých je viazaná voda) sem boli donesené hlavne prostredníctvom malých častíc, a to v období, keď slnečnú sústavu vypĺňalo množstvo prachu. Tento proces je úplne odlišný od toho, akým sa voda dostávala napr. na Mesiac. Nový objav môže pozmeniť našu predstavu o formovaní terestrických planét vrátane pôvodu vody v pozemských oceánoch.

vesta 19.jpgMapa výskytu minerálov obsahujúcich vodu (biela farba). Oblasti so zvýšenou koncentráciou sú zvýraznené žltými čiarami. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/INAF

Predpokladá sa, že hydroxyl bol na povrchu Mesiaca vytváraný postupne pri interakcii protónov zo slnečného vetra s niekoľkometrovou vrstvou mesačného regolitu. Najvyššie koncentrácie sa našli pri póloch Mesiaca v kráteroch schovaných v permanentnom tieni, kde pretrvávajú dostatočne nízke teploty. Oproti tomu rozloženie hydroxylu na Veste nezávisí od osvetlenia alebo nízkych teplôt. Nemení sa v čase, nie je teda spôsobované krátkodobými procesmi. Oblasti jeho výskytu približne korešpondujú s najstarším povrchom Vesty. Veľké mladšie krátery obsahujú len veľmi málo alebo žiadny hydroxyl, z čoho vyplýva, že jeho prísun je už ukončeným procesom.

Aby však nebolo všetko také jednoduché, v kráteri Oppia bola zistená vyššia koncentrácia hydroxylu, no kráter nie je pokrytý pôvodným tmavým materiálom. Vyplýva z toho, že ukladanie hydroxylu muselo prebiehať viacerými procesmi. Vesta môže poskytnúť nové pohľady na vznik terestrických planét a proces prísunu hydratovaných minerálov do vnútornej časti slnečnej sústavy.

vesta08.pngGlobálna mapa priemernej povrchovej teploty. Rovníková oblasť je pravdepodobne príliš teplá k udržaniu vodného ľadu pod povrchom. Kredit: NASA/GSFC/UMBC

vesta09.png

 

Mapa priemernej povrchovej teploty v okolí južného pólu. Teploty 145 K sú dostatočne nízke k udržaniu vodného ľadu počas miliárd rokov. Kredit: NASA/GSFC/UMBC

Vedci uvažujú, že uložené hydratované minerály mohli byť pri nárazoch meteoritov s vyššími nárazovými rýchlosťami prudko uvoľnené a odparené. V niektorých oblastiach boli pozorované jamy, možné pozostatky po takomto prudkom odparení. Priemer jám dosahuje 1 km, hlboké sú do 200m. Najviac ich bolo nájdených v oblasti krátera Marcia.

vesta 17.jpegPohľad do krátera Marcia, v ktorom je najvyššia koncentrácia jám vytvorených po úniku prchavých látok. Priemer krátera Marcia je 70 km. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/JHUAPL

Podobné útvary poznáme aj na Marse, no pokiaľ voda bola na Marse bežná, na Veste sa jej prítomnosť v takýchto množstvách neočakávala.

Prítomnosť vodného ľadu napovie vedcom niečo o vzniku a evolúcii Vesty, histórii nárazov komét a iných telies a interakcii s medziplanetárnym prostredím. Vodný ľad by mohol byť využiteľný aj ako surovina pri budúcom skúmaní slnečnej sústavy.

vesta10.pngTmavý a svetlý materiál na okraji krátera Marcia. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/LPI/ASU

vesta11.pngMladý kráter s priemerom 15 km. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Kamery zaznamenali povrchové útvary s rôznymi farebnými variáciami. Svetlý materiál je roztrúsený po celom povrchu Vesty, no najviac ho nájdeme v a okolo kráterov. Od vzniku telesa prešiel tento materiál len malými zmenami. Vyzerá to tak, že svetlý materiál odhalili a vyvrhli na povrch Vesty nárazy meteoritov, kde sa premiešal s tmavým materiálom.

Na Veste je aj široká škála rôznych tmavých usadenín, ktorých odtieň prechádza od tmavosivej cez hnedú po červenú farbu. Niekedy majú podobu malých ohraničených oblastí v okolí impaktných kráterov, inokedy rozsiahlejších regionálnych usadenín obkolesujúcich napr. trojicu kráterov vedcami prezývanú "snehuliak".

vesta02.pngZoskupenie kráterov vedcami nazvané snehuliak sa nachádza na severnej pologuli asteroidu. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Jedným z prekvapení bolo, že tmavý materiál nie je roztrúsený náhodne a súvisí s krátermi a ich pozostatkami. Vedci zvažujú, že do Vesty narazili asteroidy bohaté na uhlík rýchlosťami dostatočne nízkymi k tomu, aby vytvorili niekoľko menších usadenín bez toho, aby výrazne rozrušili povrch Vesty. Podobne mohli asteroidy s vyššími rýchlosťami pri nárazoch roztaviť čadičovú kôru Vesty a stmaviť tak materiál prítomný na jej povrchu. Takéto útvary sú badateľné na svahoch a dnách kráterov, na vrchoch, zlomoch a pod jasnejším mladším materiálom vyvrhnutým pri nárazoch asteroidov. Prítomnosť tmavých usadenín naznačuje, že aj vo veľkých asteroidoch mohol ostať pôvodný nepozmenený materiál z obdobia formovania slnečnej sústavy.

vesta12.pngTri rôzne pohľady na brázdy v blízkosti kráteru Aquilia na južnej pologuli. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Obrázky zhotovené z výšok 680 resp. 210 km nad povrchom asteroidu ukazujú rôznorodosť povrchových materiálov. Pomer ich zastúpenia na povrchu je farebne odlíšený, čo pomáha lepšie porozumieť zloženiu telesa a umožňuje identifikovať materiál, ktorý bol v minulosti pretavený vnútri telesa.

vesta13.pngRozloženie minerálov (diogenitu a eukrytu) na južnej pologuli Vesty. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/INAF/MPS/DLR/IDA

Vedci pozorovali aj brekcie, čo sú minerály vzniknuté pod veľkým tlakom pri nárazoch meteoritov. Mnoho minerálov je bohatých na železo a horčík, ktoré sa často vyskytujú aj v sopečných kameňoch na Zemi. Na obrázkoch sú viditeľné aj hladké usadeniny, ktoré mohli vzniknúť pri impaktoch, keď sa zrážkou rozvírený jemný prach usádzal v nižšie položených oblastiach.

Upravené farby vo videu zobrazujú mineralogické zloženie povrchu Vesty. Oranžová zvýrazňuje materiál vyvrhnutý pri impaktoch, zelená minerály bohaté na železo.

Vrstvy bližšie k povrchu sú kontaminované meteoritmi, nižšie vrstvy si zachovali viac pôvodných minerálov. Časté zosuvy pôdy na svahoch kráterov odhalili ďalšie skryté vrstvy minerálov. Tieto objavy naznačujú, že povrch Vesty sa neustále obnovuje.

Sonda poskytla vedcom aj 3D pohľad na vnútornú štruktúru asteroidu. Citlivými meraniami gravitačného pôsobenia na sondu boli zaznamenané zhusteniny pod povrchom Vesty. Najväčšie hustotné anomálie sa nachádzajú blízko južného pólu. Poukazujú na hustejší materiál odhalený pri impakte, ktorý vytvoril kráter Rheasilvia. Svetlejšie mladšie vrstvy pokrývajúce iné časti povrchu boli pri dopade telesa odvrhnuté mimo kráter.

Pomocou detektorov gama žiarenia a neutrónov vedci merali pomer obsahu železa ku kyslíku a ku kremíku v horninách. Na základe týchto meraní sa preukázala spojitosť medzi Vestou a skupinou meteoritov, známych ako howardity, eukrity a diogenity, v ktorých je pomer týchto prvkov rovnaký. Tieto meteority tvoria 6% z celkového počtu meteoritov nájdených na Zemi.

vesta14.pngTri vzorky z meteoritov nájdených na Zemi. Sonda Dawn potvrdila, že pochádzajú z asteroidu Vesta. Kredit: University of Tennessee

Topografia Vesty je veľmi pestrá. Niektoré krátery vznikli na strmých svahoch a majú takmer kolmé steny, na ktorých badať početné zosuvy pôdy. Centrálny vrcholok krátera Rheasilvia na južnej pologuli je omnoho väčší a širší v porovnaní s veľkosťou samotného krátera a vzhľadom k ostatným kráterom na iných telesách slnečnej sústavy. Vesta má však aj isté podobnosti s telesami s nižšou gravitáciou (hmotnosťou), akými sú napr. ľadové mesiace Saturna a jej povrch má tmavé a svetlé oblasti, ktoré sa nezhodujú s podobnými štruktúrami na Mesiaci.

vesta 16.jpgPohľad na centrálny pahorok krátera Rheasilvia bol vytvorený na základe počítačového modelu Vesty. Oproti skutočnosti je obrázok zvýraznený vertikálne o 50%. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

Na južnej pologuli Vesty sa nachádzajú dva veľké krátery: Veneneia, ktorý vznikol pred 2 miliardami rokov a o niečo väčší Rheasilvia, ktorý vznikol pred 1 miliardou rokov. Všetky veľké krátery na Veste sú pomerne staré, preto je prekvapujúce, že najväčší z nich je tak mladý.

Rovník Vesty obopína rozsiahly systém zlomov. Najväčší z nich - Divalia Fossa má dĺžku 465 km, šírku 22 km a hĺbku 5 km. Zlomy vytvorila pravdepodobne zrážka s veľkým asteroidom. Kôra Vesty sa pri náraze zdeformovala a polámala, niektoré jej časti poklesli, iné vystúpili a vytvorili tak dnes pozorovaný systém zlomov.

vesta18.jpgSystém zlomov ťahajúci sa pozdĺž rovníka Vesty. Rozlíšenie obrázka je 500 m na pixel. Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Počítačová simulácia preletu ponad Vestu

Po opustení nízkej orbity LAMO stúpala sonda opäť na HAMO, odkiaľ snímala severné oblasti Vesty, lebo na niektorých miestach okolo severného pólu sa medzitým Slnko dostalo nad obzor.

Dawn definitívne opustil Vestu 26. augusta.2012 a momentálne je na ceste k ďalšiemu cieľu svojho výskumu, trpasličej planéte Ceres, ku ktorej priletí vo februári 2015.