Ensimmäiset tutkimustulokset OSIRIS-Rex -luotaimen keräämistä näytteistä

OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security – Regolith Explorer) on Yhdysvaltojen ensimmäinen asteroidinäytteenkeruumissio, jonka onnistui näytteenotossa Bennu-nimisellä asteroidilla. Lähtö tapahtui 8.9.2016.

Parin vuoden matkan jälkeen luotain saavutti asteroidin 3. joulukuuta 2018. Asetuttuaan kiertoradalle, luotain kartoitti kohdettaan ja näiden tietojen perusteella löydettiin sopivat kohdat näytteiden otolle. Koska Bennu on hyvin pieni asteroidi, halkaisija noin 525m, ja sen aiheuttama gravitaatio on myös hyvin heikko. 

Tässä kuvassa keltaisella on korostettu ne aminohapot, joita Bennullta tuodusta näytteistä on löydetty. Kuva NASA.

Heikosta gravitaatiosta johtuen, luotaimen täytyi lähestyä asteroidia hyvin hitaasti, sillä ohjausraketteja ei pinnan läheisyydessä voitu käyttää. Näytteenotossa onnistuttiin 20. lokakuuta 2020 luotaimen koskettaessa asteroidin pintaa hyvin kevyesti ja nopeasti, vain muutaman sekunnin ajan. Typpikaasusuihkulla pölläytettiin regoliittia näytekammioon. Tavoite oli 60 grammaa, mutta yllättävästi saaliiksi saatiinkin hieman runsaammin, noin 120 gramma asteroidin pintamateriaalia.

Näytteen ottamisen jälkeen luotain irrottautui asteroidin vaikutuspiiristä ja suuntasi kulkunsa kohti Maata. Laskeutumisosa irrotettiin luotaimesta noin kuukautta ennen Maan ohilentoa. Näytekapseli oli siirretty luotaimessa laskeutumisosaa, jonka laskeutuminen tapahtui laskuvarjolla. Laskuvarjot avattiin noin 10 km korkeudella. Sitä ennen laskeutumisosa oli vapaassa putoamisessa vain ilmakehän jarruttaessa putoamista. Avaruudessa tultaessa nopeus (13,8 km/s) oli monikymmenkertaisesti äänen nopeus, joten laskeutujan ulkopinta kuumeni voimakkaasti. Se oli päällystetty ablatiivisella lämpökilvellä, joten näytteet pysyvät kapselissaan kuumenematta. Laskeutuminen tapahtui 24. syyskuuta 2023 Utahin Test and Training Range -alueelle.

Näytteiden laskeutumis Utahin autiomaassa paluun jälkeen. Kuva NASA.

OSIRIS-Rex -luotaimen kokoamien näytteiden analysointi aloitettiin Johsonin avaruuskeskuksessa, jossa tätä varten on puhdastilat ja tarvittavat laboratoriot. Näytteet piti säilyttää erittäin huolellisesti, sillä ne saastuvat herkästi maanpinnalla. Se olisi erittäin kohtalokasta astrokemiallisia analyysejä ajatellen, joissa etsitään hyvin monimutkaisia hiiliyhdisteitä kuten aminohappoja, nukleotideja, proteiineja jne. Saastuminen on todella huomionarvoinen asia, sillä japanilaisen luotaimen Ryugu-astroidista kokoamien näytteiden todettiin saastuneen (Maasta peräisin olevia bakteereja) englantilaisessa tutkimuslaitoksessa.

Astrokemiallisten tutkimusten lisäksi luonnollisesti määritettiin näytteiden mineraalit, joita löydettiin kaikkiaan yksitoista erilaista. Mikroskooppisilla analyyseilla määritettiin yksittäisten näytekappaleiden muodot ja kiderakenteet. Isotooppianalyyseillä määritettiin alkuaineiden isotooppijakauma, jotka tuntemalla voidaan päätellä Bennun historiaa ja siinä samalla myös koko Aurinkokunnan kehityshistoriaa.

Helposti haihtuvat kaasut, kuten ammonium eivät kuitenkaan pysty tiivistymään asteroidien nykyisellä radalla, joten sen on täytynyt olla tai syntyä ns. lumirajan ulkopuolella. Lumiraja varhaisessa Aurinkokunnassa oli jossakin Marsin ja Jupiterin ratojen välissä.

Näitä löydettyjä nukletidiemäksiä (Nucletide Bases) tarvitaan yhdessä fosfori- ja sokeri-molekyylien kanssa, jotta DNA (ylhäällä) tai RNA (alhaalla) -ketjuja voisi syntyä. Kuva NASA.

Tutkimuksissa paljastui, että näytteet sisälsivät pienen määrän vesipitoisia mineraaleja kuten natriumkarbonaattia, fosfaatteja, sulfaatteja, fluorideja, haliitteja, ammoniakkia ja helposti haihtuvia aineita. Monet näistä yhdisteistä ovat sellaisia, että ne tarvitsevat vettä syntyäkseen. Näyttääkin siltä, että Bennu oli alun perin osa isompaa kappaletta jossakin lumirajan ulkopuolella. Tämä iso kappale on myöhemmässä vaiheessa pirstoutunut jostakin syystä ja Bennu on ajautunut sisempään Aurinkokuntaan.

Näytteiden analyysissä havaittiin myös lukuisia orgaanisia yhdisteitä. Nämä ovat hiilen pitkäketjuisia molekyylejä, joita tavallisesti syntyy hiilestä, vedystä ja typestä ja syntyäkseen ne tarvitsevat vettä ja erilaisia mineraaleja katalysaattoreiksi. Vaikka näitä kaikkia Bennulla on ollut saatavilla, tai jopa aikaisemmin tähtipölypilvessä, josta Aurinkokunta muodostui, prosessit ovat olleet hitaita. Toisaalta aikaa on ollut miljardeja vuosia.

Tutkijoiden raporteissa on kerrottu mitä näytteistä löytyi. Näiden joukossa on aminohappojen ja karboksyylien lisäksi kakki viisi nukleotidiemästä, joita tarvitaan RNA ja DNA -ketjujen muodostamiseen. RNA tai DNA -ketjuja ei sentään näytteistä löydetty.

Aminohappojen molekyylirakenne voi olla joko oikea- tai vasenkätinen, toisin sanoen ne ovat toistensa peilikuvia. Maapallolla elävien organismien molekyylimuodot ovat vasenkätisiä, mutta Bennulta tuoduissa näytteissä molempia molekyylimuotoja on yhtä paljon. Kuva NASA.

Asteroidinäytteistä löytyneet aminohapot ja orgaaniset molekyylit ovat erittäin tärkeitä, koska ne voivat antaa viitteitä siitä, miten elämän rakennuspalikoita on saatu aikaan ja kulkeutunut Maahan. Tämä tukee hypoteesia siitä, että asteroidit ja komeetat ovat voineet olla merkittäviä elämän elementtien tuojia planeetallemme.

Yhteenvetona voidaan todeta, että OSIRIS-REx:n löytämät aminohapot ja vastaavat molekyylit avaavat uusia mahdollisuuksia elämän alkuperän tutkimissa sekä auttavat ymmärtämään, miten elämän kannalta tärkeitä rakenteita on voinut syntyä ja kehittyä aikojen saatossa. Lisää yksityiskohtia todennäköisesti julkaistaan tulevissa tutkimuksissa ja raportoinneissa.

OSIRIS-APEX

Näytekapselin irrottamisen jälkeen OSRIS-Rex -luotain nimettiin uudelleen ja nyt se tunnetaan nimellä OSIRIS-APEX (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification – Apophis Explorer). Samalla luotaimelle annettiin uusi tehtävä, sen on määrä kohdata asteroidi Apophis vuonna 2029.

Huhtikuun 13. vuonna 2029 Apophis ohittaa maapallon vain 32 000 km etäisyydeltä. Matka on lyhyempi kuin geosynkronisella radalla olevat tietoliikenne, sää- ja tv-satelliitit. Etäisyys on niin pieni, että maapallon vuorovesivoimat saanevat Apophisin pinnalla maanvyöryjä ja sen pyörimisakseleissa voi tapahtua muutoksia. OSIRIS-APEX:n tehtävän on havaita näitä muutoksia.

Luotain tekee vielä yhden kokeen, jollaista ei ole tehty tarkoituksellisesti koskaan. Se käyttää rakettimoottoreitaan Apophisin pinnan läheisyydessä, jolloin kaasut puhaltavat pinnan regoliitin pois ja sen alta paljastunee täysin muuttumatonta pintaa.

Vanhemmat uutiset OSIRIS-Rex:stä:

NASAn ensimmäinen asteroidinäyte laskeutui

NASAn OSIRIS-REx -luotain kosketti asteroidia

OSISRIS-Rex:n näytteenotto Bennusta onnistui mutta…

OSIRIS-Rex:lle uusi tehtävä

NASAn ensimmäinen asteroidinäyte laskeutui

NASAn OSIRIS-REx-tiimin (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification and Security – Regolith Explorer) vuosien odotuksen ja kovan työn jälkeen asteroidi Bennusta kerätty kivi- ja pölykapseli on vihdoin Maassa. Se laskeutui sunnuntaina kello 17.52 Suomen aikaa Yhdysvaltain puolustusministeriön Utahin testi- ja harjoitusalueen kohdealueelle lähellä Salt Lake Cityä. OSIRIS-Rex lähti pitkälle matkalleen 8. syyskuuta 2016 ja asteroidin se saavutti joulukuun 3. vuonna 2018. Vuosina 2019 ja 2020 luotain havaitsi asteroidin pintaa, jotta tutkijat voisivat määrittää turvallisen ja mielenkiintoisimman näytteenottopaikan. Näyte otettiin lokakuun 20. päivänä 2020 ja paluumatkalle luotain lähti toukokuun 10. päivänä 2021.

 NASAn OSIRIS-Rex -operaation näytteenpalautuskapseli laskeutumisen jälkeen sunnuntaina 24. syyskuuta 2023 puolustusministeriön Utahin testi- ja harjoitusalueella. OSIRIS-Rex -luotain keräsi näytteen asteroidi Bennusta lokakuussa 2020. Kuva NASA/Keegan Barber.

Matkustettuaan miljardeja kilometrejä Bennulle ja takaisin OSIRIS-Rex -luotain irrotti näytekapselin kohti Maan ilmakehää kello 15.42 Suomen aikaa. Luotain oli tuolloin 102 000 kilometrin etäisyydellä Maasta – noin kolmannes etäisyydestä Maan ja Kuun välillä. Luotain jatko matkaansa maapallon ohi nimettynä uudelleen OSIRIS-APEX (OSIRIS–Apophis Explorer):ksi ja se saavuttaa asteroidi Apophisin vuonna 2029.

Näytekapseli saapui ilmakehään 12,36 km/s nopeudella kello 17.42, Kalifornian rannikolla noin 133 kilometrin korkeudessa. Laskeutuminen tapahtui 10 minuuttia myöhemmin laskuvarjon varassa.

Puolentoista tunnin kuluessa kapseli kuljetettiin helikopterilla harjoitusradalle sijaitsevaan halliin rakennettuun väliaikaiseen puhdastilaan, jossa se kytkettiin jatkuvaan typpivirtaukseen. Seuraavaksi Bennu-näyte – arviolta noin 250 grammaa – kuljetetaan avaamattomassa kanisterissaan lentokoneella NASAn Johnson Space Centeriin Houstoniin maanantaina 25. syyskuuta. Siellä tutkijat purkavat kapselin, ottavat ja punnitsevat näytteen, laativat luettelon kivistä ja pölystä ja jakaa palasia ajan myötä tutkijoille ympäri maailmaa.

Näytteen saattaminen "typpipuhdistukseen", kuten tiedemiehet sitä kutsuvat, oli yksi OSIRIS-REx-tiimin kriittisimmistä tehtävistä tänään. Typpi kaasun jatkuva virtaus näytesäiliöön läpi estää epäpuhtaudet ja jättää näytteen puhtaaksi tieteellisiä analyyseja varten.

Bennusta kerätyt näytteet auttavat tutkijoita maailmanlaajuisesti tekemään löytöjä ymmärtääkseen paremmin planeettojen muodostumista ja orgaanisten aineiden ja veden alkuperää, jotka johtivat elämään Maassa, sekä hyödyttävät koko ihmiskuntaa oppimalla lisää mahdollisesti vaarallisista asteroideista.

”Onnittelut OSIRIS-REx-tiimille täydellisestä tehtävästä – historian ensimmäisestä amerikkalaisen asteroidinäytteen noutamisesta – joka syventää ymmärrystämme aurinkokuntamme alkuperästä ja sen muodostumisesta. Puhumattakaan siitä, että Bennu on potentiaalisesti vaarallinen asteroidi ja näytteestä oppimamme auttaa meitä ymmärtämään paremmin minkä tyyppisiä asteroideja voi tulla tiellemme", sanoi NASAn johtaja Bill Nelson.

"Tänään on poikkeuksellinen virstanpylväs ei vain OSIRIS-REx-tiimille vaan koko tieteelle", sanoi Dante Lauretta, OSIRIS-RExin päätutkija Arizonan yliopistosta Tucsonista. ”Onnistunut näytteiden toimittaminen Bennusta maan päälle on yhteistyön kekseliäisyyden voitto ja osoitus siitä, mitä voimme saavuttaa, kun yhdistymme yhteiseen tarkoitukseen. Mutta älkäämme unohtako – vaikka tämä saattaa tuntua uskomattoman luvun lopulta, se on todellakin vasta toisen alkua. Meillä on nyt ennennäkemätön tilaisuus analysoida näitä näytteitä ja sukeltaa syvemmälle aurinkokuntamme salaisuuksiin."

Ilmassa ja maassa olevat tutka-, infrapuna- ja optiset instrumentit seurasivat kapselia sen laskeutumiskoordinaatteihin 58 × 14 km² alueella. Vastaanottoryhmä lähetettiin muutaman minuutin kuluessa kapselin sijaintiin tarkastamaan ja hakemaan se. Tiimi löysi kapselin hyvässä kunnossa kello 18.07 Suomen aikaa ja totesi sen lähestymisen olevan turvallista. Kapseli pakattiin noin 70 minuutissa turvallista kuljetusta varten alueen väliaikaiseen puhdastilaan.

OSIRIS-Rex:lle uusi tehtävä

NASA on ilmoittanut jatkavansa OSIRIX-Rex -luotaimen tehtävää usealla vuodella ja nykyisen tehtävän päätyttyä se saa myös uuden kohteen ja sen myötä myös uuden nimen. Luotain kävi noutamassa näytteitä 101955 Bennu asteroidilta ja ne saapuvat Maahan 24.syyskuuta 2023 Utahiin Yhdysvalloissa. Laitteisto on toimintakuntoisia ja niinpä sen seuraava kohde onkin asteroidi 99942 Apophis.

OSIRIS-REx -luotain. Kuva Wikimedia Commons.

Apophis asteroidi tunnetaan sen suuresta riskistä törmätä maapalloon. Tosin seuraavalla kerralla 13. huhtikuuta 2029 näin ei tapahdu vaan asteroidi ohittaa planeettamme erittäin läheltä, noin 35 000 km etäisyydeltä. Halkaisijaltaan noin 700 metrin asteroidille tämä on erittäin vähän ja voi olla, että joskus tulevaisuudessa ihmiskunta joutuu torjumaan tämän asteroidin aiheuttamaa uhkaa aivan tosissaan.

OSIRIS-APEX (luotaimen uusi nimi) tavoittaa Apophisin noin kolme viikkoa ennen maapallon lähiohitusta ja asettuu asteroidia kiertävälle radalle. Ohituksen jälkeen luotain edelleen jää kiertämään asteroidia ainakin 18 kuukauden ajaksi. Jossakin vaiheessa luotain myös lähestyy asteroidia niin lähelle, että se voi pölläyttää pintakerroksen regoliittia ohjausmoottoreillaan. Asteroidin tiedetään olevan S-tyypin kondriittia (kiveä). Bennu-asteroidi puolestaan on B-tyypin hiilipitoista kondriittia, joten kemiallisesti erityyppisten asteroidien tutkiminen saa lisää arvokasta tietoa tutkimuksiinsa. Vuonna 2029 tiedetään jo varsin paljon Bennusta tuotujen näytteiden kemiasta, joten tulosten vertailu tuottaneen varmasti mielenkiintoisia tuloksia.

Apophis-asteroidin kiertorata on hyvin lähellä maapallon kiertorataa ja asteroidi tekeekin lähiohituksia säännöllisesti, seuraavan kerran 13. huhtikuuta 2029. Kuva NAS/JPL.

Luotaimen tekemät havainnot antavat tutkijoille arvokasta tietoa Apophsin rakenteesta. Asteroidin rakenne voi olla kasa kiviä, mikä lienee mahdollisten torjuntakeinojen kannalta se huonoin vaihtoehto. Paras rakenne tässä mielessä voisi olla monoliitti, jolloin ihmiskunnalla on käytettävissä monen moisia menetelmiä asteroidin radan muokkaamiseen. Kaikki muutkin rakenteet ovat mahdollisia näiden ääripäiden välillä.

Apophisin muoto mallinnettuna radioteleskoopilla tehtyihin tutkamittauksiin. Kuva Arizonan yliopisto / JPL / Arecibo.

Havaitsemalla asteroidin ratamuutoksia lähiohituksen aikana saadaan myös arvokasta tietoa asteroidin sisäisestä rakenteesta. Näitä tietoja täydennetään tietysti luotaimen kiertoradasta saatujen tietojen avulla, jolloin voidaan kartoittaa asteroidin sisäistä rakennetta ainakin jossakin määrin. Tiedoista voidaan selvittää esimerkiksi se, onko asteroidin sisällä laajoja onkaloita vai onko vain huokoista kiveä jne.

OSISRIS-Rex:n näytteenotto Bennusta onnistui mutta…

näyttää siltä, että se onnistui liiankin hyvin. NASA arvio saaneensa näytteitä noin 400 grammaa, kun onnistumistavoite oli vähintään 60 g. Nyt kuitenkin hieman isompi kivi näyttää jumittaneen näytekammion luukun hieman avoimeksi ja arviolta noin 5 – 10 g näytteestä on jo kadonnut avaruuteen.

OSIRIS-REx-näytteenottaja

Avaruusaluksen SamCam-kameralla 22. lokakuuta 2020 kaapattu kolmen kuvan sarja osoittaa, että NASAn OSIRIS-REx-avaruusaluksen näytteenottopää on täynnä kiviä ja pölyä, joka on kerätty Bennu-asteroidin pinnalta. Kuvat osoittavat myös, että jonkin verran hiukkasia on päässyt hitaasti vuotamaan näytteenottimesta. OSIRIS-REx-ryhmän analyysi viittaa siihen, että materiaalipalat kulkevat pienten aukon läpi, koska ottimen näytekammion mylar-läppä on hieman kiilautunut auki. Mylar-läppä (musta pullistuma vasemmalla renkaan sisällä) on suunniteltu pitämään kerätty materiaali näytekammiossa. Aukikiilautuminen luultavasti johtuu hieman suuremmasta kivestä, joka ei päästä läppää sulkeutumasta kokonaan.

Kuva: NASA.

NASAn tehtävä onkin nyt mitä pikimmin siirtää näytekammio varsinaiseen palautuskapseliin ja sulkea se, jotta lisävuodolta vältyttäisiin. Tästä syystä viime lauantaiksi suunniteltu luotaimen pyörittämisellä tehtävä näytteen tarkan massan punnitsimisesta luovuttiin, jotta lisävuodolta vältyttäisiin.

Mielenkiintoinen ilmiö on myös ollut havaittavissa avaruuteen joutuneissa hiukkasista, ne ovat jäänee luotaimen oman mikrogravitaation vaikutuksesta leijailemaan lähiympäristöön. Hiukkaset eivät kuitenkaan seuraa luotainta loputtomiin ja viimeisetkin varmasti katoavat avaruuteen, kun luotaimen rataa muutetaan.

 

NASAn OSIRIS-REx -luotain kosketti asteroidia

NASAn asteroidiluotain OSIRIX-Rex on tehnyt onnistuneen näytteenottokosketuksen Bennu-asteroidin pintaan lähellä sen napa-aluetta. Ennalta valittua näytteenottopaikkaa kutsutaan nimellä Nightingale (suomeksi Satakieli). Näytteenottopaikka valikoitui sen perusteella, että siellä on riittävästi hienojakoista ja irtonaista pinta-ainetta, jota on helppo puhaltaa näytteenottokeräimeen.

OSISRI-REx kokoonpanohallissa. Kuva NASA.

OSIRIS-Rex-luotain on kiertänyt Bennu-asteroidia jo lähes kaksi vuotta. Tänä aikana se on tehnyt kaukokartoitustehtäviä ja harjoitellut asteroidin lähestymistä ja aivan viime aikoina myös itse keräystapahtumaa, kuitenkin koskettamatta asteroidia.

Nyt todella oikea keräystapahtuma alkoi eilen (20.10.2020) kello 20.50 Suomen aikaa. Keräystä varten luotaimessa oleva käsivarsi oikaistiin ja tarvittavat ohjaustoimenpiteet tehtiin lähestymistä varten. Noin neljätuntia kestänyt lähestymisvaiheen jälkeen luotain oli noin 125 metrin etäisyydellä asteroidin pinnasta. Tarkistusten jälkeen luotain oli valmis lähestymisen jatkamiseen ja kosketus asteroidin pintaan tehtiin 11 minuuttia myöhemmin.

Bennu-asteroidi ei ole suuren suuri. Kuva NASA.

Itse näytteenottotapahtuma oli hyvin nopea, aikaa siihen kuluu vain viisi sekuntia. Keräimen koskettaessa asteroidin pintaa, suihkutettiin typpikaasua keräimen suuttimista. Kaasusuihkut pölläyttivät hienojakoista regoliittia kohti keräimen varastosäiliötä. Tämän jälkeen luotain vetäytyi jälleen kauemmaksi, noin 500 m korkeuteen. Kiertoradalla OSIRIS-REx tulee kiertämään asteroidia, kunnes varmistuu se, kuinka paljon näytettä saatiin. Päätös jatkosta tehdään 30.10.2020.

Onnistuneen näytteen massa pitäisi olla vähintään 60 grammaa. Keräimeen mahtuu jopa 2 000 g pölyä ja pieniä kiviä. Kerätyn näytteen määrä selvitetään kahdellakin tavalla. Yksinkertaisin tarkistusmenetelmä on valokuvata näytteenottopää. Jos se näyttää pölyiseltä, näytteenotto on ainakin jossain määrin toteutunut. Tarkempi menetelmä on määrittää luotainta pyörityskokeella. Jos toivottu määrää näytettä on onnistuttu keräämään, luotain on valmis palaamaan Maahan. Ellei näytettä saatu tarpeeksi, tehdään toinen keräys 12. päivä ensi tammikuussa toiselta alueelta, joka tunnetaan nimellä Ospray (Kalasääksi) tai mahdollisesti alueelta Kingfisher (Kuningaskalastaja).

Lähtö paluulennolle Maahan tapahtuu ensi maaliskuussa. Matka on pitkä ja perille luotain tulee 24.9.2023 eli lentoon kuluu aikaa 2,5 vuotta. Ainoastaan näyttteenottokapseli laskeutuu Maahan Utahin testi- ja harjoitusalueelle, johon on aikaisemminkin laskeutunut avaruudessa otettuja näytteitä. 

Ensimmäisiä tutkimustuloksia saataneen vuoden 2024 aikana. NASA varastoi Johnsonin avaruuslentokeskukseen (Houston) vähintään 75 % näytteestä tulevaisuutta varten samaan tapaan kuin 1970-luvulla kerättyjä kuunäytteitä. Varsinaiset tutkimukset tehdään kansainvälisissä tutkimusryhmissä lähivuosina ja ehkä useiden tulevien tutkijasukupolvien aikana (riippuen saadun näyte-erän määrästä).

Bennu-asteroidin numerotiedot:

• ekvatoriaalinen halkaisija noin 500 m

• napahalkaisija noin 510 m 

• pyörähdysaika 4,3 tuntia

• kiertoaika 1,2 vuotta

• radan inklinaatio 6°

• etäisyys Maasta on lyhyimmillään joka kuuden vuosi.

Videot

https://www.youtube.com/watch?v=j7-zQT01v9A

https://www.youtube.com/watch?v=UhSemu3P8aY