© Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Tähtitieteilijät tähystävät elämää etäisillä asteroideilla

Parvi aluksia on lähetetty kohti Aurinkokunnan asteroideja. Skannereiden, lasereiden ja näytteidenottolaitteiden avulla niiden on määrä paljastaa uusia puolia Aurinkokunnan alusta. Ensimmäiset alukset ovat nyt palaamassa takaisin Maahan ja mukaan niillä on ehkä ratkaisu siihen, miten elämä Maassa on syntynyt.

Ammus räjähtää pamahtaen hiljaisuudessa. Kukaan ei kuitenkaan kuule mitään, koska ammus räjäytetään yli 300 miljoonan kilometrin päässä Maasta timantin muotoisella Ryugu-asteroidilla ja räjäytyksen takana on japanilaisen avaruusluotaimen Hayabusa-2:n automaattinen mekanismi.

Ryugu on aikakapseli

Isku pölläyttää soraa ja pölyä pinnasta, ja erityinen kapseli vastaanottaa ja vangitsee ainesta. Siellä materiaali on turvassa siihen asti, kun kapseli palaa Maahan vuoden 2020 lopulla ja kärsimättömästi odottaneet astrofyysikot avaavat sen. Sitä ennen he ovat rakentaneet joukon erikoisvalmisteisia tutkimuslaboratorioita.

© Oliver Larsen

OSIRIS-REX

hakee jopa kaksikiloisen näytteen.

© Oliver Larsen

HAYABUSA-2

noutaa ensimmäisen näytteen.

© Oliver Larsen

DART

pukkaa asteroidin pois kurssistaan.

© Oliver Larsen

LUCY

käy kuudella asteroidilla Jupiterin liepeillä.

©

PSYCHE

tutkii metallisia asteroideja.

Hayabusa-2 lähti matkaan joulukuussa 2014 ja asettui kiertämään Ryugua kesäkuussa 2018. Suunnitelmien mukaan luotaimen arvokas lasti laskeutuu 6. joulukuuta 2020 Australiaan.

Kun näytteet ovat saapuneet maapallolle, tähtitieteilijät pääsevät ensimmäistä kertaa tutkimaan tarkemmin niiden Aurinkokunnan vanhusten pölyä ja pikku kiviä, jotka ovat saaneet liikkua ilman suurempia häiriöitä Aurinkokunnassa melkein sen syntymästä asti ja jotka toimivat siksi eräänlaisina aikakapseleina.

Japanilaisluotain Hayabusa-2 ottaa näytteen Ryugu-asteroidista ampumalla sen pintaan ammuksen.

© JAXA

Ryugu on lisäksi alkeellinen asteroidi, joka sisältää ilmeisesti sekä vettä jäänä että massoittain hiiliyhdisteitä.

Ryugusta otettavat näytteet saattavat tästä syystä paljastaa, kuinka maapallon elämä sai alkunsa. Kaikki Maan elämän muodot vaativat nestemäistä vettä, joten elämä tuskin syntyi silloin, kun planeetta oli rutikuiva.

Veden alkuperää ei kuitenkaan tiedetä. Jos Ryugun vesi muistuttaa maapallon vettä, on mahdollista, että asteroidit toivat vettä Maahan. Vesissä on eroa. Joissakin vesimolekyyleissä on raskas vetyatomi, joka sisältää ylimääräisen neutronin.

Tavallisen ja raskaan veden välinen suhde eri näytteissä kertoo, ovatko vedet syntyneet samassa paikassa ja samoissa olosuhteissa. Asteroideissa on myös elämän edellyttämiä hiiliatomien ympärille rakentuneita molekyylejä.

Asteroidien kuljettamat elämän rakennuspalikat saattoivat päätyä Maahan sille pudonneiden meteoriittien mukana. Toisesta asteroidista onkin jo saatu aiheeseen liittyviä hyviä uutisia.

Toiveissa neitseellinen pöly

Astrofyysikot tietävät meteoriittien voivan sisältää orgaanisia ainesosia. Itse asiassa asteroideja koskeva tutkimustieto perustuu enimmäkseen juuri Maahan osuneisiin meteoreihin.

Planeettamme on jatkuvan pommituksen kohteena, ja valtaosa meteoreista tulee asteroideista.

Meteoriitit ovat aarreaitta Aurinkokunnan tutkijoille. Radiometrisella iänmäärityksellä, joka perustuu radio­aktii­visten alkuaineiden ja niiden hajoamistuotteiden välisen suhteen tarkkaan määrittämiseen, voidaan ajoittaa meteoriitin sisältämiä mineraaleja.

Koska Maa on ilmeisesti muodostunut samaan aikaan kuin meteoriitit, tällä menetelmällä on saatu selville, että Maa on ollut olemassa 4,5–4,6 miljardia vuotta.

Lisäksi laboratoriotutkimuksissa meteoriitteja on leikattu paperinohuiksi viipaleiksi ja analysoitu elektronimikroskoopeilla, jotka yhdessä edistyksellisten laitteiden kanssa ovat paljastaneet kivien mineraali koostumuksen ja kemialliset yhdisteet.

Tutkimustulokset antavat vihjeitä siitä, kuinka asteroidit ovat muodostuneet.

Meteoriitteihin liittyy kuitenkin se ongelma, että ne eivät ole koskemattomia asteroidien osia. Ensiksikin ne ovat tehneet rajun matkan Maan ilmakehän läpi ja kuumenneet sen aikana. Toiseksi maapallon aineet ovat saastuttaneet niitä.

Tutkimusretket asteroideille antaisivat tietenkin vastauksia kysymyksiin, mutta alusten koko ja paino asettavat suuria rajoituksia lähetettävien laitteiden määrälle ja tyypille.

Esimerkiksi mineraalien iänmäärityslaitteisto on liian iso kuljetettavaksi avaruusluotaimella ja parhaat elektronimikroskoopit ovat kolme neljä metriä korkeita, tonnienpainoisia koneita, joita ei voida laukaista avaruuteen.

Tutkijoiden tavoitteena onkin päästä käsiksi neitseelliseen kiveen ja pölyyn, joka on otettu suoraan asteroidista. Tällöin voidaan olla varmoja myös siitä, mistä näyte on peräisin, eikä sen alkuperää tarvitse arvailla niin kuin tutkittaessa meteoriitteja.

Japanin avaruusjärjestö JAXA tietää asian ehkä kaikkein parhaiten.

Ryugulle on vaikea laskeutua

Maahan näytteitä tuovat luotaimet ovat ylimpänä astrofyysikoiden toivelistalla, mutta avaruusalusta ei niin vain saada laskeutumaan asteroidille, ottamaan siitä näytteitä ja kuljettamaan nämä varmasti maapallolle.

Hayabusa-2 on parannettu versio Hayabusa-luotaimesta, joka lähetettiin Japanista 9. maaliskuuta 2003 mutta joka ei toimittanut tavaraa. Tavoitteena oli hakea ainetta 535 metriä pitkästä, muodoltaan perunaa muistuttavasta kiviasteroidista, Itokawasta.

Luotain sai jo menomatkalla moottorivian, ja laskeutumisalus päätyi kiertämään Aurinkoa sen sijaan, että se olisi laskeutunut asteroidille.

Ammus pölläyttää pölyä alukseen

/ 4

Laskeutumisluotaimet

Kaksi laskeutumisluotainta oli tiukasti kiinni Hayabusa-2:ssa siihen asti, kun ne päästettiin syksyllä 2018 putoamaan asteroidille. Lisäluotain seuraa ensi kesänä.

1

Laserinstrumentti

Laserinstrumentti määrittää etäisyyden asteroidiin lähettämällä laserpulsseja pintaan ja rekisteröimällä, kuinka ne heijastuvat takaisin.

2

Paluukapseli

Paluukapselin säiliöt ottavat vastaan nousevaa pölyä. Ne on varustettu lämpökilvellä ja laskuvarjolla matkalle Maan ilmakehän läpi.

3

Näytteenkeräysputki

Näytteenkeräysputki sisältää ammuksia, jotka iskeytyessään pintaan nostattavat pölyä. Joustava putki antaa myöten iskeytymisen aikana.

4
© JAXA

Teknisistä ongelmista huolimatta Hayabusa onnistui lopulta tekemään kaikkien aikojen ensimmäisen laskeutumisen asteroidille.

Näytteenotosta ei kuitenkaan tahtonut tulla mitään, koska laukaisumekanismi petti. Tästä syystä materiaalin määrä jäi hyvin pieneksi. Paluukapseli, joka laskeutui Australiaan vuonna 2010, sisälsi vain 1 500 pölyhiukkasta.

Sittemmin mikroskooppisia asteroidirakeita on analysoitu laboratorioissa.

Elokuun 7. päivänä 2018 japanilaistutkijat ilmoittivat, että pölyn perusteella asteroidin voidaan olettaa syntyneen samaan aikaan kuin muukin Aurinkokunta mutta olleen noin 1,5 miljardia vuotta sitten osallisena rajussa asteroidikolarissa. Itokawa koostuu siten tämän yhteentörmäyksen jäännöksistä.

Hayabusa-2:een kohdistuvat suuret odotukset, eikä tähän mennessä ole ilmennyt vikoja eikä häiriöitä. 609 kiloa painava alus lähti 3. joulukuuta 2014 Tanegashiman saaressa sijaitsevasta Japanin avaruuskeskuksesta ja saavutti Ryugun 27. kesäkuuta 2018.

Vinoneliön muotoinen asteroidi, jonka läpimitta on noin 900 metriä, löydettiin vuonna 1999.

Japanilaistutkijoiden yllätykseksi Ryugu osoittautui kauttaaltaan erikokoisten kivien ja kallionlohkareiden peittämäksi.

Tämä oli paha miinus, sillä tutkijat odottivat löytävänsä pinnalta laajan tasanteen, joka olisi sopinut ihanteellisesti näytteenottoon.

Alkuperäisen suunnitelman mukaan Hayabusa-2:n piti ottaa näytteet lokakuun 2018 loppuun mennessä, mutta hankala maasto vaikeutti laskeutumispaikan valintaa. Läpimitaltaan noin 20-metrisellä alueella ei saanut olla yli puolen metrin korkuisia kiviä.

Hayabusa-2 on jo päästänyt kolme pientä laskeutumisalusta vapaaksi.

Niiden välittämät tiedot kertovat, että Ryugun pinta on kiinteä ja – toisin kuin luultiin – pölytön. Niinpä pieni asteroidi on jo järjestänyt tutkijoille kaksi melkoista yllätystä.

Luotain hypähtää pysähtymättä

Hayabusa-2 tekee tällä viikolla ensimmäisen näytteenottoyrityksen. Kyseessä ei ole varsinainen laskeutuminen, vaan pikemminkin superlyhyt visiitti.

Operaatio kestää sekunnin

Vain sen sekunnin, jonka näytteenotto kestää, alus on kosketuksessa asteroidin pintaan.

Metrin pituinen keräysputki toimii eräänlaisena huipputeknisenä jousena, joka ponnahduttaa pienten rakettimoottorien avustuksella aluksen irti asteroidista.

Samantapaista menetelmää sovelletaan yhdysvaltalaisvastineessa, OSIRIS-RExissä.

Yli kaksi vuotta kestäneen matkan jälkeen Nasan avaruusluotain saapui Bennu-asteroidin luo 3. joulukuuta 2018 ja asettui kiertämään sitä noin 19 kilometrin päässä pinnasta kulkevalle radalle. Sieltä spektrometrit ovat jo tehneet ensimmäisen merkittävän löydön: molekyylit, joissa vety ja happi ovat sitoutuneet toisiinsa.

Bennun on siis täytynyt jossain vaiheessa olla tekemisissä veden kanssa – todennäköisesti siinä suuremmassa asteroidissa, josta Bennu on lohjennut.

Tutkijoiden pitää kuitenkin malttaa vielä odottaa tarkempia analyysejä, sillä vasta heinäkuussa 2020 alus sukeltaa läpimitaltaan noin 500-metriseen Bennuun siepatakseen siitä pölyä ja pikku kiviä.

Kun Hayabusa-2-hankkeessa on tavoitteena saada vain 0,1 grammaa pölyä, OSIRIS-REx voi kahmaista keräyskoneistollaan peräti kaksi kiloa pölyä ja kiviä. Nasan tutkijat olisivat kuitenkin tyytyväisiä, jos he saisivat tuliaisia edes 60 gramman verran.

Yhdysvaltalaiset harkitsivat varsinaista laskeutumista asteroidille, mutta hekin valitsivat lopulta niin sanotun touch-and-go-pikavisiitin.

Asteroidin kokoisen taivaankappaleen painovoimakenttä on niin vaatimaton, että pinnalle on vaikea laskeutua ja jäädä. Ryugun painovoima on 1/80 000 Maan painovoimasta, eli Maassa 80-kiloinen henkilö painaa siellä vain gramman, ja Bennun painovoima on vielä heikompi.

Tuomisina kaksi kiloa pölyä

Alus alkaa helposti kieriä asteroidilla, ellei sitä ole varustettu erityisillä pysäytysmekanismeilla. Esimerkiksi eurooppalaisen Rosetta-luotaimeen liittyvän Philae-laskeutujan piti käyttää kiinnitysharppuunoita laskeutuessaan 67P/Tšurjumov–Gerasimenko-komeetalle vuonna 2014, mutta ne eivät toimineet. Siksi Philae pomppi paikasta toiseen, kunnes se joutui varjoon, missä aurinkopaneelit eivät enää tuottaneet sähköä.

Nasa ja JAXA yrittävät kaikin keinoin välttää tällaisen täydellisen epäonnistumisen ja hyödyntävät pientä painovoimaa poistumiseen.

Sekä Ryugu että Bennu valikoituivat siksi, että ne kuuluvat C-tyypin melko alkeellisiin ja alkuperäisiin asteroideihin, jotka käyvät säännöllisin välein Aurinkoa kiertävällä radallaan Maan lähellä. Useimmat asteroidit sijaitsevat Marsin ja Jupiterin välisellä asteroidivyöhykkeellä, mutta edestakainen matka kestää kauan ja tulee kalliiksi. Siksi tutkijat ovat panostaneet asteroideihin, joiden kulkureitti leikkaa tai melkein sivuaa Maan kiertorataa.

VIDEO – Katso, miten OSIRIS-REx ottaa näytteen viidessä sekunnissa:

Bennu on mahdollisesti vaarallinen kiertolainen, sillä se tulee Kuuta lähemmäksi Maata vuonna 2135. Laskelmien mukaan todennäköisyys, että Bennu törmää maapalloon vuosien 2175 ja 2195 välillä, on 0,037 prosenttia. Isku johtaisi luonnonmullistukseen, joka voisi vaatia miljoonia kuolonuhreja.

Asteroidien aiheuttama vaara on hyvä syy tutkia niitä tarkemmin. Astrofyysikot haluavat tietää enemmän asteroidien tavasta liikkua Aurinkokunnassa, ja tietoa heille voi välittää OSIRIS-REx. Tavoitteena on saada selkoa siitä, kuinka auringonvalossa lämpeneminen ja sitä seuraava kylmeneminen vaikuttavat asteroidin rataan.

Alus lähentelee metallimöykkyä

Asteroidien kartoitus on nyt kovassa myötätuulessa, ja Nasa etsii myös muita mahdollisia tutkimuskohteita luotaimille.

Yksi tähtäimessä olevista maaleista on 210-kilometrinen asteroidi Psyche, joka on tunnettu vuodesta 1852 ja jonka erottaa muista asteroideista hyvin suuri tiheys.

Psyche on valtavan raskas suhteessa kokoonsa, joten sen täytyy koostua pelkästään raudasta ja nikkelistä – niin kuin Maan ydin.

Tutkijat pitävätkin todennäköisenä, että Psyche on aikoinaan rajussa törmäyksessä tuhoutuneen pienen planeetan keskusta. Asteroidista nimensä saanut Psyche-luotain on tarkoitus lähettää lokakuussa 2023, mutta se pääsee määränpäähänsä asteroidivyöhykkeelle, jossa Psyche sijaitsee, vasta vuonna 2030.

Luotaimen tehtävänä on kiertää asteroidia 21 kuukautta ja suorittaa mittauksia, jotka toivottavasti valottavat merkillisen metallimurikan menneisyyttä.

Nasalla on lisäksi vireillä Lucy-niminen ohjelma, jossa tähdätään vielä kauemmas. Suunnitelmien mukaan Lucy lentää kuuden erilaisen, Jupiterin kanssa samalla radalla Aurinkoa kiertävän, asteroidin ohi.

Planeetan kanssa radan jakavia asteroideja kutsutaan troijalaisiksi asteroideiksi. Lucyn vieraakseen saavat asteroidit ovat siis Jupiterin troijalaisia.

Tähän mennessä on löydetty yli 7 000 asteroidia, jotka ovat jääneet jättiläisplaneetan suuren painovoiman vangiksi ja alkaneet kiertää vakaata rataa joko Jupiterin edellä tai perässä.

Tavoitteena on selvittää, missä päin Aurinkokuntaa troijalaiset asteroidit ovat syntyneet ja miksi niin moni niistä on päätynyt Jupiterin seuraksi.

Lucy lähetetään lokakuussa 2021, ja kunnianhimoisen hankkeen on määrä kestää 12 vuotta.

Asteroidivyöhykkeen läpäistyään luotain ohittaa ensin pienen Donaldjohanson-asteroidin, ja sitten vuorossa ovat vuosina 2027–2028 Polymele, Orus, Eurybates ja Leucus Jupiterin edellä.

Seuraavien viiden vuoden aikana Lucy saavuttaa Jupiteria seuraavan Patroclus-troijalaisen ja sen kiertolaisen eli kuun, Menoetius-asteroidin.

Tutkijaryhmät vaihtavat näytteitä

Koska kumpaankaan ohjelmaan ei sisälly näytteenottoa, ne eivät ole yhtä kiehtovia astrofyysikoiden näkökulmasta kuin Maahan näytteitä tuoviin luotaimiin perustuvat hankkeet.

Tutkimusryhmät aikovat vaihtaa materiaalia, jotta molemmat pääsevät analysoimaan sekä Ryugun että Bennun pölyä ja pikku kiviä. Osaa aineesta säilytetään lukon takana tulevaisuutta varten, sillä laboratorioiden välineet ja menetelmät kehittyvät jatkuvasti.

Todennäköisesti samoista näytteistä saadaan myöhemmin irti enemmän mineraaleja koskevaa tietoa. Puoli vuosisataa sitten Apollo-astronauttien Maahan tuomia kuukiviäkin analysoidaan yhä.

Kymmenen vuoden kuluessa tavoitellaan näytteitä myös komeetoista, Marsista ja sen Phobos-kuusta.

Lisäksi Kiinan on tarkoitus hakea lisää kiviä Kuusta luotaimella jo vuonna 2019.

Fyysikoilla ja kemisteillä voi siis pian olla kädet täynnä työtä.