Vesmír plný záhad

Aktivity Katedry jadrovej fyziky MFF UK Bratislava v oblasti kozmického výskumu majú tradíciu, ktorá siaha k expedíciam Apollo a našej účasti na analýze mesačných vzoriek.

Neskôr v spolupráci s Los Alamoskými laboratóriami sme sa podielali na expedícii Mars Observer. V spolupráci s Inštitútom Maxa Plancka pre chémiu v Mainzi sme robili aj výpočty pre diaľkový prieskum povrchu Merkúru pomocou gama žiarenia. Táto expedícia je v perspektívnom pláne Európskej kozmickej agentúry (ESA). Keďže kométy patria medzi najzaujímavejšie a súčasne najzáhadnejšie objekty objavujúce sa z času na čas na oblohe, plánuje ESA expedíciu ROSETTA ku komete Virtanen, z ktorej výsledky by mali byť dostupné koncom budúceho desaťročia. Jedným z plánovanych prístrojov je aj gama spektrometer, na navrhovaní ktorého sme sa podielali, a ktorý si vyžiada ešte ďalšiu prácu aj v budúcnosti. V súčasnosti pracujeme na simuláciach potrebných pre interpretáciu výsledkov meraní gama žiarenia spektrometrom na palube družice NEAR a na možnom rozšírení jej programu aj o meranie gama žiarenia unikajúceho z povrchu Mesiaca a atmosféry Zeme počas preletu družice v okolí týchto objektov. Takisto už v týchto dňoch pracujeme na simulácii očakávaných gama spektier a na vývoji programov pre ich analýzu a interpretáciu pre projekt Mars Surveyor 2001. Táto misia by mala podstatnou mierou prispieť k vytvoreniu globálnych máp o chemickom zložení povrchu Marsu až do hĺbky približne 1 m. Úspešná misia Pathfindera revitalizovala aj projekty vyslania človeka na Mars. Ako jeden z vážnych problémov, ktorý bude treba detailne pochopiť a preskúmať, je žiarenie, ktorému na povrchu Marsu budú vystavení astronauti. Skúsenosti zo simulácií radiačného prostredia vykonaných v minulosti sa budeme snažiť využiť aj pri príprave tohto projektu. O jeho konkrétnej podobe je však vravieť predčasné. V spolupráci s poprednými zahraničnými inštitúciami vidíme jednu z perspektívnych možností zapojenia nášho pracoviska do moderného kozmického výskumu aj v budúcnosti.

Prečo ľudí priťahuje výskum Marsu ? Hlavným dôvodom je pravdepodobne jeho podobnosť so Zemou v ranných obdobiach jeho histórie. Veľmi dávno bol Mars teplejšou a vlhkejšou planétou ako je teraz. V skutočnosti, v čase, keď sa vyvíjal život na Zemi, sa tieto dve planéty mohli navzájom podobaťoveľa viac ako dnes. Po istom čase sa však z nejakých príčin evolučné cesty Zeme a Marsu rozišli. Mars sa vyvinul na suchú, chladnú planétu bez života, zatiaľ čo Zem ostala teplá, vlhká a vyvinul sa na nej život.

Mars ponúka špeciálne vhodné podmienky pre výskum svojej dávnejšej histórie. Na Zemi viedli aktívne geologické procesy k ohromným pohybom a zmenám v zemskom plášti a tak informácia o charakteristikách a podmienkach na Zemi v obdobi prvej miliardy rokov po jej vzniku bola temer úplne zničená. Na Marse však tento záznam stále existuje. Rozľahlé oblasti, staré 4 miliardy rokov, sú stále zachované a poskytujú informáciu napríklad o pôsobení tečúcej vody na jeho povrchu. Ako vyzeral povrch, atmosféra Marsu a vôbec prostredie na ňom v tomto čase? Ako bola rozšírená voda na Marse a čo sa s ňou potom stalo? Boli podmienky pre vznik života, ako ho poznáme dnes, vhodné na Marse a ak áno prečo sa život nevyvinul ? Týmto otázkam pridali na aktuálnosti aj náznaky možného života na Marse v dávnej dobe, nájdené v meteorite z Marsu v minulom roku. Aby sme mohli odpovedať na tieto otázky, musíme sa dostať k najstarším miestam na Marse a “prečítať si” záznam, ktorý na nich ostal zapísaný. Prvý, ale veľký krok v tomto smere urobil Mars Pathfinder.

Americká sonda Pathfinder, pristála na Marse 4. júla 1997 a vyslala na Zem veľké množstvo zaujímavých vedeckých údajov. Tým sa červená planéta stala na dlhší čas stredobodom svetovej pozornosti. Vzrušenie z úspechov misie bolo o to väčšie, že z minulých 22 expedícií, polovica skončila skôr, ako sondy začali poskytovať užitočné údaje. Od úspešneho pristátia sond Viking 1 a 2 na Marse uplynulo už 21 rokov. Posledné dve misie pred Pathfinderom skončili predčasne - americká Mars Observer počas navádzania družice na obežnú dráhu okolo planéty v roku 1994 a ruská Mars 96 krátko po štarte. Žiaľbohu aj ďaľšie misie, ktoré nasledovali po Pathfinderi, neboli omnoho úspešnejšie. Nedávno sa pravdepodobne o povrch Marsu rozbila daľšia americká sonda Mars Surveryor, ktorá mala poskytnúť dôležité informácie najmä o počasí na Marse a o jeho polárnych oblastiach.


Pathfinder odštartoval K Marsu z Kenedyho kozmickeho centra na Floride v decembri 1996 na nosnej rakete Delta II v rámci programu NASA - Discovery.

Po siedmich mesiacoch, po prekonaní cesty dlhej približne 500 miliónov kilometrov, Pathfinder vstúpil do atmosféry Marsu rýchlosťou vyššou ako 26 000 km/h. Pri pristávacom manévri sa jeho pohyb postupne spomalil na rýchlosť okolo 50 km/h pomocou padáka, a malých brzdiacich rakiet. Nakoniec Pathfinder dosadol na povrch planéty v oblasti známej pod nazvom Ares Vallis, po niekoľkých skokoch na vzduchových vankúšoch, ktoré mali utlmiť náraz. Toto miesto vybrali ako relatívne bezpečné (dostatočné množstvo slnečného svetla, malý sklon svahu v mieste pristátia, malá členitosť povrchu) a z vedeckého bádateľského hľadiska dostatočne zaujímavé. Prvé čiernobiele snímky vyslané z Pathfindera však ukázali, že terén v tejto oblasti je členitý, kamene sú väčšie ako sa očakávalo a že vyzerajú ako keby boli opracované. Ďalšie obrázky z Pathfindera viedli k presvedčeniu, že kamene sa vytvarovali pôsobením vody, ktorej množstvo bolo v minulosti zrovnateľné s objemom vody v Stredozemnom mori.

Životnosť Pathfindera je limitovaná na niekoľko týždňov, či mesiacov. Jeho pristátie a vyrývanie prvých stôp na povrchu Marsu, vzbudilo mimoriadnu pozornosť. Prvý obrázok z neho si prezrelo viac ako 100 miliónov ľudí už počas prvého dňa po jeho sprístupnení na Internete. Ani po tomto vzrušujúcom, no pomerne krátkom období, Mars neostane dlho bez návštevy zo Zeme. Už 12. septembra (roku 1997) začala vo výške zhruba 400 km nad povrchom Marsu krúžiť družica Global Surveyor, ktorá bude mapovať povrch Marsu približne dva roky. Už na marec 1998 naplánovali štart orbitera a ďalšieho pristávacieho modulu smerujúceho k Marsu a potom každé dva roky, až do roku 2004, ďalšie a ďalšie expedície. Nakoniec, v roku 2005, sa očakáva prvý spiatočný let k Marsu, v rámci ktorého sa prvé vzorky z jeho povrchu prinesú na Zem.

Skôr ako sa zastavíme pri najvýznamnejších výsledkoch misie, pozrime sa na zariadenia, ktoré tieto výsledky poskytujú. Základne údaje sa vysielajú z pristávacieho modulu a pohyblivého rovera, nazvaného Sojourner. Väčšina vedecky cenných informácií pochádza z troch aparatúr: Je to stereoskopická kamera so spektrálnymi filtrami (IMP), spektrometer alfa častíc, protónov a x-žiarenia (APXS) a zo súboru prístrojov, zameraných na štúdium štruktúry a meteorologických podmienok atmosféry (ASI/MET).

IMP pozostáva z CCD kamery, pričom zobrazovacia časť je rozdelená na dve polovice, každá s 256 x 256 aktívnymi elementami, čo umožňuje stereoskopickú rekonštrukciu obrazu a s využitím zabudovanej optiky tiež získavanie panoramatických obrázkov, ktoré tak nadchli svetovú verejnosť. Takisto tento systém umožnil získať multispektrálne obrázky Marsu až v štyroch farebných pásoch. Systém sa využil aj na množstvo atmosférických pozorovaní, ako sú napríklad charakteristika prachu, meranie obsahu vodných pár pozorovaním Slnka cez filtre z absorbčnej oblasti vodných pár a pod. Magnetické vlastnosti prachu umožňujú určovať obrázky magnetickych čidiel, nasnímané počas trvania misie.

ASIMET prístroje poskytujú údaje o atmosfére počas zostupu landera ale aj počas celého trvania misie. Umožňujú rekonštrukciu hustoty, teploty a tlaku atmosféry v rozmedzí od 0 do 100 km nad povrchom, pomocou príslušných senzorov a elektroniky, ktorá digitalizuje ich údaje. Údaje o sile vetra sú napríklad ziskavané pomocou šiestich temperovaných vlákien rozmiestnených na stožiari pristávacieho modulu. Rýchlosť a smer vetra sú určovane pomocu teploty tychto prvkov.

K vývoju a počítačovej simulácii prístroja APXS prispela aj Katedra jadrovej fyziky MFF UK. Myšlienka, na ktorej sa spektrometer APX zakladá, má pôvod v experimente, ktorým Rutherford na začiatku tohoto storočia dokázal existenciu atómového jadra. V ňom alfa častice emitované z nestabilného prvku rádia dopadali na atómy a rozptyľovali sa. Z nameraneho úhlového a energetického rozdelenia sa potom určil rozmer atómového jadra.

Začiatkom 60-tych rokov Turkevich využil túto techniku na určenie chemického zloženia povrchu Mesiaca. V jeho experimente bombardovali vybranú vzorku alfa časticami so známou energiou a merali energie častíc odrazených naspäť. Tieto energie závisia od toho, na akom prvku sa alfa častica odrazila, a tak sa mohlo určiť, aké prvky sú prítomné vo vzorke - v lunárnej hornine. Z pomerného zastúpenia častíc jednotlivých energií sa určila koncentrácia jednotlivých prvkov. V súčasnosti sa už v týchto prístrojoch používajú aj detektory protónov a detektory žiarenia X. Protóny sa vo vzorkách produkujú pri jadrových reakciách vyvolaných alfa časticami, ktoré prenikli do atómoveho jadra. Žiarenie X vzniká vo vzorkách v dôsledku vzájomneho pôsobenia alfa častice s elektrónovým obalom atómov.

Zatiaľčo alfa častice sú užitočné pre určenie koncentrácie najmä ľahších prvkov, ako je napr. uhlík a kyslík, protóny sú výhodné pre určenie prítomnosti stredne ťažkých prvkov ako je kremík, hliník a podobne. Žiarenie X poskytuje informáciu užitočnú najmä pre určenie ťažších prvkov, ak sú vo vzorke prítomné aj s veľmi nízkou koncentráciou. Výsledky získané tymito alfa-protónovymi spektrometrami boli potvrdené neskoršími analýzami vzoriek prinesenými expedíciami Apollo.

Už po prvom týždni práce na povrchu Marsu, na ktorý bola plánovaná životnosť väčšiny zariadení, bolo možné konštatovať, že Mars Pathfinder podstatne zmenil náš pohľad na červenú planétu. Zo snímok sa potvrdila červená farba povrchu, čo viedlo vedcov k záveru, že Mars “hrdzavie”. Nie je však známe prečo, lebo napríklad voľná povrchová voda na ňom detekovaná nebola. Snímky taktiež jednoznačne preukázali, že v dávnej dobe tomu bolo inak - v oblasti pristátia Pathfindera musela tiecť voda.

Prvé analýzy marťanského prachu ukázali, že jeho chemické zloženie je také, aké v minulosti zaznamenali sondy Viking na miestach značne vzdialených (približne 850 km). Možno vyvodiť záver, že toto zloženie prachu charakteristické pre celý povrch Marsu.

Analýza prveho kameňa na povrchu Marsu, nazvaného Barnacle Bill, bola jedným z vrcholne prekvapivých výsledkov. Jeho chemické zloženie bolo charakterizované vysokým obsahom kremíka, či skôr kremeňa, ktorý je charakteristický pre andezity, vulkanické horniny, nachádzajúce sa často na Zemi. Andezity sa obyčajne formujú opakovaným tavením, ktoré je časté počas tektonických procesov tvarujúcich pozemské kontinenty. Tieto výsledky sa dali zhrnúť do vety:Mars je viac podobný Zemi ako Mesiacu.

Avšak na druhej strane, z fotografií povrchu Marsu je zrejmé, že Mars má minimálne množstvo vulkánov a taktiež sa nenašli stopy tektonických krýh, čo vedie k presvedčeniu, že planéta nebola vnútorne aktívna dostatočne dlho na to, aby sa tam vytvorili andezity. Takže otázkou je, aké procesy vytvorili tento prvý analyzovaný kameň na povrchu Marsu.

V každom prípade však získané poznatky o geológii Marsu boli oveľa komplexnejšie, ako sa pred touto misiou očakávalo. Okrem neočakávane vysokého obsahu kremeňa, APXS potvrdil chemické zloženie analogické SNC meteoritom, o ktorých sa už dávnejšie tvrdilo, že sú z Marsu. V jednom z nich, (ALH 84001), sa v minulom roku podarilo objaviť náznaky, že dávnej dobe na Marse existoval život.




Článok je v sekcií - Veda / Vesmír