Hayabusa – ionimoottori

Luotain kävi hakemassa asteroidista paloja

Yli viisi miljardia kilometriä matkannut avaruusluotain Hayabusa 2 on luovuttanut arvokkaan lastinsa – kapselin, joka sisältää Aurinkokunnan ikäistä pölyä. Aineen odotetaan paljastavan, kuinka elämän rakennuspalikat tulivat Maahan.

Yli viisi miljardia kilometriä matkannut avaruusluotain Hayabusa 2 on luovuttanut arvokkaan lastinsa – kapselin, joka sisältää Aurinkokunnan ikäistä pölyä. Aineen odotetaan paljastavan, kuinka elämän rakennuspalikat tulivat Maahan.

DLR German Aerospace Center

Japanin kielen sana hayabusa tarkoittaa muuttohaukkaa. Kun kotiin palannut japanilainen avaruusluotain Hayabusa 2 antoi 6. joulukuuta 2020 tuliaisensa, kansainvälinen tiedeyhteisö riemuitsi.

Tehtyään yli viisi miljardia kilometriä pitkä matkan Ryugu-asteroidille Hayabusa 2 kuljetti ikivanhaa pölyä sisältävän kapselin ilmakehän läpi.

Aine on peräisin siltä ajalta, kun Aurinkokunta muodostui, ja se ammuttiin irti Ryugun pinnasta.

Tuliaisten ansiosta päästään ensimmäistä kertaa tutkimaan alkuperäisen Aurinkokunnan murusia ja muun muassa määrittämään niiden asteroidien koostumus, jotka viimeaikaisten tutkimusten mukaan toivat vettä ja elämän rakennuspalikoita vastasyntyneelle maapallolle.

Meteoriitit ovat liian kärsineitä

Tähän asti uutta tietoa asteroideista on saatu lähinnä tutkimalla niitä pieniä kiviä, joita Maahan tulee jatkuvasti meteoriitteina.

Meteoriitit sisältävät kuitenkin vain harvoin vahingoittumatonta alkuperäistä ainetta Aurinkokunnan syntyajoilta. Kun meteori kulkee ilmakehän läpi, se kuumenee voimakkaasti, ja kun se putoaa maanpinnalle meteoriittina, se altistuu erilaisille sääilmiöille. Koska löydöt voivat olla hyvin vanhoja, niiden alkuperäinen rakenne on tuskin enää säilynyt.

Sen sijaan ne asteroidit, jotka kiertävät Aurinkoa Maan ja Jupiterin välissä, ovat kutakuinkin muuttumattomia. Ne muodostuivat Aurinkokunnan murusista ensimmäisten satojen miljoonien vuosien aikana.

Alkuperäisiin rakennuspalikoihin ei päästä käsiksi muuten kuin käymällä hakemassa näytteitä asteroideista. Tätä tarkoitusta varten Japani lähetti vuonna 2003 ensimmäisen Hayabusa-luotaimen kohti kiviasteroidi Itokawaa.

Ensimmäinen Hayabusa-luotain toi vuonna 2010 mikroskooppisia näytteitä kiviasteroidi Itokawasta, joka muistuttaa Maan sisäosissa sulaneita ja muuntuneita kivimassoja. Hayabusa 2 on ottanut näytteitä hiiliasteroidi Ryugusta, johon on tallentunut Aurinkokunnan varhaishistoriaa.

Pakkasraja-01-Elämän-rakennuspalikat-ovat-laskeutuneet
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Pakkasraja jakoi Aurinkokunnan

Nuoressa Aurinkokunnassa syntyi kahdenlaisia planeettojen edeltäjiä, niin sanottuja planeetta-alkioita. Niiden rakenne riippui pakkasrajasta, joka vaikutti esimerkiksi siihen, haihtuiko vesi höyrynä vai säilyikö se jäänä.

Pakkasraja-02-Elämän-rakennuspalikat-ovat-laskeutuneet
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Lämpö hävitti varhaishistorian

Planeetta-alkioita lämmitti paitsi sisältä radioaktiivinen hajoaminen myös ulkoa auringonvalo, kun ne olivat lähellä Aurinkoa. Ne sulivat ja saivat kivivaipan ympäröimän metalliytimen. Ytimistä syntyi myöhemmin metalliasteroideja ja vaipoista Itokawan kaltaisia kiviasteroideja.

Pakkasraja-03-Elämän-rakennuspalikat-ovat-laskeutuneet
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kylmyys säilytti rakennusaineet

Kauempana Auringosta planeetta-alkiot voivat luovuttaa lämpöä kylmään avaruuteen ja välttyivät siksi sulamiselta. Ryugun kaltaiset asteroidit ovat näiden planeetta-alkioiden jäännöksiä, joten ne sisältävät alkuperäisiä varhaisen Aurinkokunnan rakennusaineita.

Kiviasteroideja syntyi Aurinkokunnan lapsuudessa, kun nykyisten planeettojen edeltäjät, planeetta-alkiot, sulautuivat yhteen ja muodostivat nestemäisestä kivimassasta koostuvan vaipan ympäröimän kiviytimen. Osa alkioista kehittyi planeetoiksi, mutta loput hajosivat yhteentörmäyksissä. Kiviasteroidit perustuvat niiden vaippaan.

Kun Hayabusa palasi Maahan vuonna 2010 mukanaan 1 500 mikroskooppista asteroidihiukkasta, saatiin selville, että kiviasteroidit koostuvat samoista mineraaleista kuin maapallon vaippa. Lisäksi kävi ilmi, että Itokawan kaltaiset kiviasteroidit ovat rutikuivia, joten Maan vesi on tuskin peräisin niiltä.

Kaukaiset asteroidit toivat elämän

Valtamerien alkuperän selvittämisestä kiinnostunut Japanin avaruusjärjestö JAXA on kohdistanut huomionsa hiiliasteroideihin, jotka ovat todennäköisesti tuoneet Maahan sekä vettä että orgaanisia aineita.

Hiiliasteroidit kiinnostavat tutkijoita erityisesti siksi, että ne perustuvat planeetta-alkioihin, jotka syntyivät Aurinkokunnan kylmissä ulko-osissa. Siellä alkiot eivät sulaneet, ja sen ansiosta kaukaisissa asteroideissa on yhä jäljellä ainetta Aurinkokunnan syntyajoilta.

Japani valitsi tästä syystä asteroidiohjelmansa seuraavaksi tutkimuskohteeksi timantin muotoisen hiiliasteroidin, Ryugun. Luotain Hayabusa 2 lähetettiin vuonna 2014, ja neljä vuotta myöhemmin se asettui kiertoradalle.

Hayabusa – ionimoottori

Tammikuun 5. päivänä 2021 Hayabusa 2 käynnisti ionimoottorinsa ja lähti uudelle 10 vuoden avaruusmatkalle. Ensimmäinen pysähdys on vuonna 2026 kiviasteroidi CC21:llä.

© DLR German Aerospace Center

Siinä samassa paljastui, että Ryugu on huokoinen sorakasa ja että sen erikokoisia kiviä pitää koossa etupäässä painovoima.

Mittausten mukaan Ryugu sisältää runsaasti orgaanisia hiiliyhdisteitä. Nykyään asteroidin pinnalla ei esiinny vettä, mutta Hayabusa 2:n tutkimusvälineet havaitsivat hydroksidia, joka on vedyn ja hapen muodostama ioni.

Hydroksidipitoiset mineraalit saostuvat yleensä vedessä, ja niiden olemassaolo vihjaa, että Ryugu tai se planeetta-alkio, josta asteroidi sai alkunsa, sisälsi vettä tai jäätä.

Kaukokartoitettuaan asteroidia Hayabusa 2 ampui kahden kilon kupariammuksen sen pintaan paljastaakseen alkuperäiset, muuttumattomat asteroidiainekset.

Kahta hiiliasteroidia tutkittiin kahdella eri tavalla kahden luotaimen avulla. Kun Hayabusa 2 ampui Ryugu-asteroidia noutaessaan alkuperäistä Aurinkokunnan pölyä, niin OSIRIS-REx keräsi suuren näytteen Bennusta kaasuvirralla.

© JAXA

1. Ammus toi esiin pölyn

Hayabusa 2 ampui Ryugua kahden kilon kupariammuksella paljastaakseen asteroidin sisäosien pölyn. Sitten luotain laukaisi pienemmän ammuksen, joka pöläytti 5,4 grammaa ainetta luotaimen näytteenottovarren säiliöön.

© University of Arizona/Goddard/NASA

2. Kaasuvirta täytti näyteastian

OSIRIS-REx laskeuduttua Bennulle näytteenottovarsi suihkutti kaasua, joka nosti pölyä säiliöön. Asteroidiaineen määrä oli niin suuri, ettei kansi sulkeutunut kunnolla. Suojakalvoon oli juuttunut soraa.

Joitakin viikkoja myöhemmin luotain sukelsi kraatteriin ja leijui sen yllä kuin helikopteri. Näytteenottovarsi painui kraatterin pohjaan ja laukaisi pienen ammuksen. Se räjäytti pölyä näytesäiliöön.

Sen jälkeen, kun säiliö oli sulkeutunut ja palannut paikalleen Hayabusa 2:een, paluumatka Maahan alkoi.

Puolentoista vuoden kuluttua kosketuksesta asteroidiin säiliön sisältävä kapseli laskeutui Australian syrjäseudulle tutkijoiden suureksi iloksi. Riemua lisäsi se, että säiliön todettiin sisältävän Ryugun kaasua ja 5,4 grammaa alkuperäistä asteroidipölyä. Määrä oli viisi kertaa suurempi kuin oli odotettu.

Nyt päästiin tutkimaan näytettä siitä Aurinkoa ympäröineestä alkuperäisestä pöly- ja kaasupilvestä, josta neljä sisintä kiviplaneettaa muodostuivat.

Eikä Ryugusta otettu näyte jäänyt ainoaksi tutkimuskohteeksi.

Vesi virtasi Bennun läpi

Nasan vuonna 2017 lähettämä OSIRIS-REx-luotain alkoi joulukuussa 2018 kiertää hiiliasteroidi Bennua.

Ryugun tavoin Bennu on rakenteeltaan löyhä sora- ja kivikasa.

Ohjusluotain kääntää asteroidin kurssia

© JHUAPL/NASA

22 000 asteroidin arvioidaan käyvän vaarallisen lähellä Maata. Bennu kuuluu niihin. Lue lisää avaruudesta tulevasta uhasta ja sen torjumisesta täältä :

Pinnan oli oletettu olevan melko tasainen, mutta jo ensimmäisten havaintojen mukaan päällimmäisenä oli kookkaita huokoisia kiviä, joiden läpimitta oli jopa 16 metriä.

Juuri isot kivet olivat selvä vihje siitä, että Bennussa tai siinä planeetta-alkiossa, johon se perustuu, vesi virtasi valtoimenaan. Luotaimen kuvaamista kivistä erotettiin nimittäin vaaleita juovia, joilla oli pituutta ja leveyttä enimmillään 1,5 metriä ja 14 senttiä.

OSIRIS-REx juova Bennu

Bennun pinnan valkoiset karbonaattijuovat ovat todennäköisesti saostuneet 4,5 miljardia vuotta sitten nestemäisessä vedessä siinä planeetta-alkiossa, jonka osa Bennu oli.

© University of Arizona/Goddard/NASA

Juovat koostuvat hiilipitoisista karbonaattimineraaleista, jotka saostuivat nestemäisessä vedessä. Koska Bennu sisältää lisäksi runsaammin orgaanisia hiiliyhdisteitä kuin Ryugu, havainnot tukevat teoriaa, jonka mukaan nuoreen Maahan osuneet hiiliasteroidit toivat valtamerien veden ja elämän rakennuspalikat.

Luotain ahnehti liikaa

Kookkaat kivet olivat ongelmallisia Nasan kunnianhimoisen tavoitteen kannalta. Tarkoituksenahan oli hankkia kotiin tuotavaksi 60–2 000 gramman näyte asteroidipölystä. OSIRIS-REx oli kuitenkin suunniteltu laskeutumaan tasaiselle 2 000 neliömetrin kentälle, mutta sopivan laakeaa alustaa oli tarjolla vain 100 neliömetriä.

OSIRIS-REx – Laskeutuminen Bennulle

OSIRIS-REx oli suunniteltu laskeutumaan tasaiselle 2 000 neliömetrin kentälle. Bennun pintaa leimaavat kuitenkin isot kivet, ja ainoa sopivan laakea paikka oli vain 100 neliömetrin laajuinen.

© University of Arizona/Goddard/NASA

Nasassa huokaistiin helpotuksessa, kun laskeutuminen sujui mallikkaasti. Dramaattisilta tapahtumilta ei kuitenkaan vältytty.

OSIRIS-REx kosketti Bennua vain kuusi sekuntia, ja sinä aikana näytteenottovarsi iskeytyi pintaan ja nosti pölyä ja soraa säiliöön suihkuttamalla typpeä.

Sitten luotain loittoni ja lähetti valvomoon videon näytteenotosta. Kuvatiedoston siirto kesti etäisyyden – 334 miljoonaa kilometriä – vuoksi 18,5 minuuttia. Tutkijat katsoivat kauhuissaan videota, sillä se paljasti viiden pikkukiven takertuneen siihen ohueen kalvoon, jonka tehtävänä oli sinetöidä näytesäiliö.

Oli olemassa suuri vaara, että asteroidipöly karkaa säiliöstä matkalla.

Nasa muutti heti ohjelmaa. Sen sijaan, että OSIRIS-REx olisi kiertänyt Bennun useita kertoja, se siirtyi kauemmaksi avaruuteen muuttamatta kurssiaan, jottei se altistuisi tarpeettomille heilahduksille. Samanaikaisesti valvomo oli tuskastuttavan hitaassa radioyhteydessä luotaimeen.

Vasta kolmen hermostuttavan vuorokauden kuluttua näytesäiliö arvokkaine sisältöineen oli lukkojen takana siinä kontissa, jonka piti kuljettaa asteroidipöly Maahan. Nasan arvion mukaan säiliössä oli ainetta ainakin 400 grammaa eli 80 kertaa niin paljon kuin Hayabusa 2 oli tuonut maapallolle.

OSIRIS-REx lähti paluumatkalle maaliskuussa 2020. Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, tutkijat pääsevät käsiksi sen näytesäiliöön Utahissa 24. syyskuuta 2023.

Pölystä pyydystetään aminohappoja

Tällä välin analysoidaan Ryugun näytteitä. Ensimmäiset JAXAn tekemät mittaukset ovat vahvistaneet, että säiliön sisältämä kaasu on kaasuuntunutta asteroidipölyä ja peräisin Aurinkokunnan alkuvaiheesta.

Vuoden 2021 aikana puolet pölystä jaetaan lähinnä Japanissa ja Yhdysvalloissa kuuden tutkijaryhmän kesken. Loput pannaan talteen sitä silmällä pitäen, että tulevaisuudessa otetaan todennäköisesti käyttöön uusia analyysimenetelmiä, joilla murusista saadaan irti vielä enemmän tietoa.

Tutkimusryhmät pyrkivät ennen kaikkea selvittämään, miten hiileen, typpeen ja rikkiin perustuvat orgaaniset yhdisteet ovat reagoineet toistensa kanssa hiiliasteroideissa ja onko niistä muodostunut aminohappoja tai muita monimutkaisia molekyylejä.

Aminohapot ovat proteiinien ja entsyymien rakennuspalikoita, jotka huolehtivat kaikista elävien solujen biokemiallisista prosesseista, kuten dna:n synteesistä.

Hayabusa – näytesäiliö– pölyä

Hayabusa 2 -luotaimen näytesäiliöön mahtui 5,4 grammaa asteroidin pölyä. Ensimmäistä kertaa tutkijat voivat nyt analysoida näytteitä siitä pöly- ja kaasupilvestä, josta Aurinkokunnan neljä sisintä planeettaa aikoinaan syntyivät.

© JAXA

Kun OSIRIS-REx tuo näytteen Bennusta Maahan, pystytään vertaamaan kahta eri näytettä ja sen ansiosta ehkä selvittämään, miksi Bennu sisältää enemmän kuin Ryugu sekä vettä että orgaanisia hiiliyhdisteitä. Odotusten mukaan saadaan lopullinen varmuus siitä, millainen osuus hiiliasteroideilla oli Maan elämän ihmeellisessä synnyssä.

”Päämääränämme on saada selville, kuinka orgaanisia aineita syntyy avaruudessa, ja pystyä selittämään asteroideissa Aurinkokunnan lapsuudessa esiintynyt orgaanisten aineiden synteesi”, toteaa JAXAn tutkija Hiroshi Naraoka.

Sillä aikaa, kun Japanin muuttohaukka Hayabusa 2 on ehtinyt jo kauas Maasta asteroidimatkallaan, Nasa on valmistautunut tutkimaan arvoituksellista, vielä paljon etäisempää, asteroidiryhmää.

Nasa tähtää kaukaisiin asteroideihin

Lucy Asteroide
© Southwest Research Institute

Nasan asteroidiohjelman seuraava tutkimuskohde sijaitsee kaukana Maasta. Lähitulevaisuudessa lähetetään luotaimia tutkimaan Jupiterin ympäristön aineksia ja suurta rautapitoista Psyche-asteroidia. Lue lisää täältä: