ESCAPADE-tehtävän luotaimet lähtivät kohti Marsia

KAK – NASAn uusin aurinkotuulta ja sen vaikutuksia Marsin kiertoradalla havainnoivan ESCAPADE-tehtävän ^[1] kaksoisluotaimet laukaistiin avaruuteen Cape Canaveralista marraskuun 13. päivänä 22.55 Suomen aikaa. Kantorakettina oli Blue Origin yhtiön New Glen (NG-2) kantoraketti ^[2].

 

Molemmat luotaimet (Blue ja Gold) ovat rakenteeltaan identtiset. Kuva NASA.

Noin 33 minuuttia lähdön jälkeen luotaimet irrotettiin kantoraketista. Kello T+33.18 irrotettiin Blue-luotain ja 30 sekuntia myöhemmin Gold-luotain. Nimet tulevat Kalifornian yliopiston Berkeleyn koulun väreistä.  Luotaimet tulevat asettumaan aluksi Maan Lagrangen L2-pistettä kiertävälle radalle, jossa ne odottavat Maan ja Marsin asettumista sopiviin asemiin. Alkulennon aikana tutkimuslaitteet ja luotaimen lennon hallinnan laitteet tarkistetaan ja säädetään toimimaan suunnitellusti.

Varsinainen marslento alkaa vuoden kuluttua marraskuussa 2026. Silloin luotaimet ohjataan kulkemaan hyvin läheltä Maata, jolloin Oberthin efektin vaikutuksesta ne saavat lisäimpulssin planeettojen väliselle lennolle. Tällainen rata mahdollistaa mahdollisimman pienen polttoainemäärä lennon toteuttamiseen. Nykyisin tällaisia linkoratoja käytetään lähes aina planeettojenvälisten luotainten ratojen muokkaamiseen ja tarvittavan lisänopeuden hankkimiseen.

Polttoaineen säästämiseksi luotaimet odottavat sopivaa ajankohtaa Marsiin vivälle radalle Lagrangen pisteen L2 radalla. Sen jälkeen ne käyttävät linkorataa, jonka avulla luotaimet saavat lisäenergiaa maapallolta. Kuva NASA.

 

Lento Marsiin kestää 10 kuukautta, jonka aika tehdään tarvittavia ratakorjauksia (TCM), jotta luotaimet saapuisivat perille juuri oikeaan aikaan. Syyskuussa 2027 luotaimet asettuvat Marsin kiertoradalle [4]. Loka-joulukuussa rataa muutetaan hiljalleen hieman matalammalle radalla.  Toisistaan irrotetut luotaimet asettuvat aluksi samalle kiertoradalle (kesäkuu 2028) ja niiden etäisyys on lentoaikana mitattuna enintään 4 – 30 minuuttia. Rataa kutsutaan lempinimellä ”helminauha”. Kiertorata mahdollistaa aurinkotuulessa tapahtuvien nopeiden muutosten havaitsemisen.

Seuraava lennon vaihe alkaa joulukuussa 2028, jolloin luotaimet siirtyvät omille radoilleen. Gold-luotain kasvattaa suurinta etäisyyttä Marsistaan ja vastaavasti Blue-luotain laskee sitä. Muutosten myötä luotaimet mittaavat Marsina magnetosfäärissa eri alueita. Tämä vaihe jatkuu toukokuuhun 2029, jonka jälkeen toistaiseksi suunnitelmissa oleva tutkimustoiminta päättyy. On luotaimet ja niiden havaintoinstrumentit käyttökelpoisessa kunnossa ja onko polttoaineita riittävästi jäljellä ratakorjauksiin, ovat sellaisia kysymyksiä, jotka ratkeavat ajan kanssa. NASA on kuitenkin pyrkinyt käyttää toimintakuntoisia avaruusluotaimia niin pitkään kuin mahdollista, joten hyvällä onnella Goldin ja Bluen tarina jatkuu – ehkä!

Lennon ensimmäisessä havaintovaiheessa luotaimet ovat samalla radalla Marsia kiertäen. Tälainen rata mahdollistaa lyhytaikaisten ilmiöiden havaitsemisen. Kuva NASA.

Luotaimet ovat rakenteellisesti samanlaisia ja kummassakin niistä on samat havaintoinstrumentit ^[3]. Laitteiden tekemien havaintojen avulla tutkijat pyrkivät ymmärtämään Marsin magnetosfäärin rakennetta ja prosesseja, jotka vaikuttavat ja ohjaavat ionivirtoja. Aikaisemmin tällaista kahden luotaimen avilla tehtyä tutkimusta ei ole tehty Marsin kiertoradalla. 

Jälkimmäisellä havaintokaudella luotaimet ovat omilla radoillaan, joten niiden havainnot mahdollistavat  kausaalisien riippuvuuksien tutkimisen. Kuva NASA.

 Toinen tärkeä tutkimuskohde on aurinkotuulen energiavirtojen kulkeutuminen ja liikemäärän vaikutus nykyiseen magnetosfääriin. Kolmas tavoite on aurinkotuulen vuorovaikutusprosessit ovat tärkeimpien tavoitteiden joukossa, jolla pyritään selvittämään, miten aurinkotuuli on vaikuttanut Marsin ilmakehän riipiytymiseen aikojen kuluessa. Neljänneksi luotaimet tuottavat tietoa Marsin lähiavaruuden avaruussäästä, sen vaikutuksista Marsiin ja aurinkomyrskyjen vaikutukset planeetan pinnalla. Marsin globaalin magneettikentän puuttuminen on miehitettyjen lentojen ja mahdollisesti Marsin pinnalle perustettavien siirtokuntien yksi vaikeammin hallittavista ihmisten terveyttä ja henkeä vaarantavista tekijöistä.

 

Viitteet

[1] Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers

 

[2] New Glenn tekniset yksityiskohdat

Korkeus: 98 metriä

Halkaisija: 7 metriä

Moottorit: 7 × BE-4 (1. vaihe) + 2 × BE-3U (2. vaihe)

Työntövoima: Yli 16,9 MN nousuvaiheessa

Kantokyky: 45 tonnia LEO-kiertoradalle, 13,6 tonnia GTO-kiertoradalle.

Raketissa on tilaa kahdelle ESCAPADE-luotaimelle lisäksi Viasatin HaloNet-demonstraatiokuormalle.

New Glenn on nimetty astronautti John Glennin mukaan, joka oli ensimmäinen amerikkalainen Maan kiertoradalla.

 

[3] Havaintoinstrumentit ovat:

EMAG magnetometri (NASA Goddard)

EESA elektrostaattinen analysaattori – ionit ja elektronit (UC Berekeley)

ELP Langmuir Probe – plasmaominaisuudet (Embry-Riddle)

VIS/IR näkyvän valo ja infrapunaisen valon kamera (Northern Arizona University).

 

Mittaustapa ja tarkkuus:

Magneettikenttä: 3-akselinen vektori mittaus, herkkyys nanotesla-tasolla

Ionit: Energia-alue 10 eV - 30 keV, massaerottelu H⁺, He⁺⁺, O⁺

Elektronit: Energia-alue 1 eV - 50 keV, kulmaerottelu 360°

Plasma: Elektronitiheys ja lämpötila, ionien drift-nopeus

Kuvat: Näkyvä ja infrapuna-alueet, mahdollisuus Marsin vihreiden revontulien havaitsemiseen.

 

[4] Kiertorata (syyskuu 2027)

Kiertoradan tyyppi: Korkea elliptinen rata

Periapsis: ~160 km

Apoapsis: 7,000-10,000 km

Kiertoaika: ~87 tuntia

Kaltevuus: 60°

 

 

Gaian tehtävä tuli päätökseen

Euroopan avaruusjärjestön Linnunradan kartoittaja Gaia on saanut päätökseen tehtävänsä taivaantarkkailuvaiheen. Se on tehnyt yli kolme biljoonaa (3×10¹²) havaintoa noin kahdesta miljardista (2×10⁹) tähdestä ja muusta kohteesta viime vuosikymmenen aikana ja mullistanut näkemyksen kotigalaksistamme ja sen kosmisesta naapurustosta. 

 

Taustalla on uusi taiteilijajäljennös Linnunradasta, sen edessä Gaia-avaruusteleskoopista ja etualalla ympyrään kirjoitetut numerot viittaavat Gaian tekemiin havaintoihin: 3 biljoonaa havaintoa, 2 miljardia tähteä ja muuta havaittua kohdetta, 938 miljoonaa kameran pikseliä aluksella, 15 300 avaruusaluksen "piruettia", 55 kilogrammaa kylmää typpikaasua kulutettu, 3827 päivää tieteellisissä operaatioissa, 50 000 tuntia maa-asemalla käytettyä aikaa, 500 teratavua dataa julkaisu 4 (5,5 vuoden havainnot), 142 teratavua alaspäin lähetettyä dataa (pakattuna), 2,8 miljoonaa avaruusalukselle lähetettyä komentoa, 13 000 referoitua tieteellistä julkaisua toistaiseksi, 580 miljoonaa käyttökertaa Gaia-luettelossa toistaiseksi. Kuva ESA/Gaia/DPAC, Milky Way impression by Stefan Payne-Wardenaar.

Gaian lähtö oli 19. joulukuuta 2013, joten sen ajoainesäiliö alkaa olla lähes tyhjä - se käytti noin 12 grammaa kylmää kaasua päivässä pitääkseen sen pyörimässä täsmällisesti. Tehtävä ei kuitenkaan ole vielä läheskään lopussa. Tulevina viikkoina on tarkoitus tehdä teknologiatestejä ennen kuin Gaia siirretään Aurinkoa kiertävälle radalle. Gaian kokoaman tiedon perusteella on suunnitteilla kaksi massiivista tiedonjulkaisua, DR 4 noin vuonna 2026 ja DR 5 tämän vuosikymmenen lopussa.

"Tänään tieteelliset havainnot päättyvät, ja juhlimme tätä uskomatonta tehtävää, joka on ylittänyt kaikki odotuksemme ja kestänyt lähes kaksi kertaa niin kauan kuin alun perin oli suunniteltu", sanoo ESAn tiedejohtaja Carole Mundell.

 "Gaian keräämä tietovarasto on antanut meille ainutlaatuisia tietoja Linnunratagalaksimme alkuperästä ja kehityksestä, ja se on myös muuttanut astrofysiikkaa ja aurinkokuntatiedettä tavoilla, joita emme ole vielä täysin ymmärtäneet. Gaia perustuu ainutlaatuiseen eurooppalaiseen huippuosaamiseen astrometriassa, ja se jättää tuleville sukupolville pitkäaikaisen perinnön."

"Gaia on kerännyt tieteellistä tietoa 11 vuotta avaruudessa ja selvinnyt matkan varrella mikrometeoriittitörmäyksistä ja aurinkomyrskyistä. Nyt kaikki katseet kohdistuvat seuraavien tietojen julkaisemisen valmisteluun", sanoo Gaia-projektin tutkija Johannes Sahlmann. "Olen innoissani tämän uskomattoman tehtävän suorituskyvystä ja innoissani meitä odottavista löydöistä."

Paras kartta Linnunradasta

Gaia on kartoittanut tähtien sijainteja, etäisyyksiä, liikkeitä, kirkkauden muutoksia, koostumusta ja lukuisia muita ominaisuuksia tarkkailemalla niitä kolmella instrumentillaan useita kertoja tehtävänsä aikana.

Näin on pystytty mallintamaan suurin ja tarkin kartta Linnunradasta ja näyttämään meille kotigalaksimme samalla tavalla, jollaista mikään muu tehtävä ei ole aiemmin tehnyt. Näin meillä on nyt myös paras rekonstruoitu kuva siitä, miltä galaksimme voisi näyttää ulkopuolisen tarkkailijan silmin. Tämä uusi taiteilijavaikutelma Linnunradasta sisältää Gaia-tiedot, jotka on saatu lukuisista viime vuosikymmenen aikana tehdyistä tutkimuksista.

 

Mallikuva siitä, miltä kotigalaksimme, Linnunrata, voisi näyttää galaksin kiekon yläpuolelta katsottuna, kun sen kierteet ovat näkyvissä. Galaksin keskellä oleva pullistuma loistaa sumean soikeana (sauvana). Keskuspullistumasta alkaen useat spiraalivarret kiertyvät ulospäin muodostaen täydellisen ympyränmuotoisen spiraalin. Kuva ESA/Gaia/DPAC, Stefan Payne-Wardenaar.

"Se sisältää suuria muutoksia aiempiin malleihin verrattuna, sillä Gaia on muuttanut käsitystämme Linnunradasta. Jopa perusajatuksia on tarkistettu, kuten galaksimme keskipalkin pyörimistä, kiekon poimuuntumista, spiraalihaarojen yksityiskohtaista rakennetta ja tähtienvälistä pölyä Auringon lähellä", sanoo Stefan Payne-Wardenaar, Saksan Haus der Astronomien ja IAU:n koulutuksen tähtitieteen toimiston tieteellinen visualisoija. "Silti Linnunradan kaukaisimmat osat ovat edelleen vain valistuneita arvauksia, jotka perustuvat puutteellisiin tietoihin. Gaia-tietojen uusien julkaisujen myötä näkemyksemme Linnunradasta tulee entistäkin tarkemmaksi."

Vuosikymmenen löytökone Gaian toistuvat mittaukset tähtien etäisyyksistä, liikkeistä ja ominaisuuksista ovat avainasemassa Linnunradan "galaktisen arkeologian" suorittamisessa, sillä ne paljastavat puuttuvia lenkkejä galaksimme monimutkaisesta historiasta ja auttavat meitä oppimaan enemmän alkuperästämme. Gaia kirjoittaa Linnunradan historiaa uudelleen ja tekee ennusteita sen tulevaisuudesta, kun se havaitsee muiden galaksien "haamuja" ja useita muinaisten tähtien virtoja, jotka yhdistyivät Linnunradan kanssa sen varhaishistoriassa, ja löytää todisteita nykyisin käynnissä olevasta törmäyksestä Sagittarius-kääpiögalaksin kanssa.

Mallikuva siitä, miltä kotigalaksimme, Linnunrata, voisi näyttää spiraalitasosta pimeää taustaa vasten. Linnunradan kiekko näkyy kuvan keskellä ohuena, tummanruskeana viivana, joka ulottuu vasemmalta oikealle ja jossa on aavistus aallosta. Galaksimme keskellä on keskuspullistuma. Kuva ESA/Gaia/DPAC, Stefan Payne-Wardenaar.

 

Oman galaksimme tähtiä skannatessaan Gaia on havainnut myös muita kohteita, kuten asteroideja Aurinkokuntamme takapihalla sekä galakseja ja kvasaareja - galaksien kirkkaita ja aktiivisia keskuksia, joissa on supermassiivisia mustia aukkoja - Linnunradan ulkopuolella.

Gaian havaintojen perusteella on pystytty määrittelemään täsmälliset radat yli 150 000 asteroidille. Sen mittaukset ovat niin korkealaatuisia, että ne ovat paljastaneet satojen asteroidien kiertoradoilla olevat mahdollisesti kuut. Kerätyistä tiedoista on voitu luoda suurin kolmiulotteinen kartta noin 1,3 miljoonasta kvasaarista, joista kaukaisimmat loistivat kirkkaina, kun maailmankaikkeus oli vain 1,5 miljardia vuotta vanha.

Gaian keräämästä datasta on myös löytynyt uudenlaisia mustia aukkoja, muun muassa yksi, jonka massa on lähes 33 kertaa Auringon massa ja joka on Kotkan tähdistössä, alle 2 000 valovuoden etäisyydellä Maasta. Tämä on ensimmäinen kerta, kun Linnunradan sisällä on havaittu näin suuri tähtiperäinen musta aukko. "On vaikuttavaa, että nämä löydöt perustuvat vain muutaman ensimmäisen vuoden Gaia-tietoihin, ja monet niistä tehtiin pelkästään viime vuonna. Gaia on ollut vuosikymmenen löytökone, ja suuntaus jatkuu edelleen", sanoo Alankomaiden Leidenin yliopistossa toimivan Gaia Data Processing and Analysis Consortiumin (DPAC) puheenjohtaja Anthony Brown.

Varoitus! Lisää mullistavaa tiedettä luvassa

Gaian tiede- ja insinööritiimit työskentelevät jo täydellä höyryllä valmistellessaan Gaia Data Release 4:ää (DR4), joka on tarkoitus julkaista vuonna 2026. Datan määrä ja laatu paranee jokaisen julkaisun myötä, eikä Gaia DR4, jossa odotetaan olevan 500 TB:n datatuotteita, ole poikkeus. Lisäksi se kattaa tehtävän ensimmäiset 5,5 vuotta, mikä vastaa tehtävän alun perin suunnitellun keston pituutta.

"Tämä on Gaia-julkaisu, jota yhteisö on odottanut, ja on jännittävää ajatella, että se kattaa vain puolet kerätystä datasta", sanoo Antonella Vallenari, DPAC:n varapuheenjohtaja, joka työskentelee Padovan tähtitieteellisessä observatoriossa (Istituto Nazionale di Astrofisica, INAF) Italiassa. "Vaikka observatorio on nyt lopettanut tietojen keräämisen, se on meille tavanomaista toimintaa vielä monta vuotta, kun saamme nämä uskomattomat tietokokonaisuudet valmiiksi käyttöä varten."

Gaia Data Release 4 -julkaisu laajentaa sen kaksoistähtien luetteloa, joka on tähän mennessä suurin tällainen luettelo. Gaian keräämästä datasta on saatu selville lähekkäin kiertävien tähtiparien pienet liikkeet, jotka voivat olla merkkejä piilossa olevista seuralaisista tai eksoplaneetoista.

Gaia havaitsi viimeksi 10. tammikuuta kaksoistähtiparin 61 Cygni. Tämä ikoninen tähti herätti 1800-luvun tähtitieteilijöiden huomion, ja sen avulla saatiin ensimmäisiä ominaistähti- ja parallaksimittauksia, joita Gaia käyttää noin kahden miljardin tähden kohdalla.

Myös Gaian eksoplaneettalöydöt tulevat lisääntymään tulevien tietokokonaisuuksien myötä, koska havaintojen pidempi aikaväli helpottaa huomattavasti "heiluvien" tähtien havaitsemista, joita kiertävät planeetat hellästi vetävät.

"Seuraavien kuukausien aikana jatkamme Gaian viimeisenkin datapisaran lähettämistä, ja samaan aikaan prosessointiryhmät tehostavat valmistelujaan tämän vuosikymmenen lopulla tapahtuvaa viidettä ja viimeistä suurta datajulkistusta varten, joka kattaa koko 10,5 vuoden mittaisen datan", sanoo Rocio Guerra, Gaia Science Operations -tiimin johtaja ESA:n Euroopan avaruustähtitieteen keskuksesta (ESAC) Madridin läheltä Espanjasta.

"Tähän päättyy uskomaton koordinoitu ponnistus, jonka takana on satoja asiantuntijoita tiedeoperaatiokeskuksesta täällä ESAC:ssa, Gaiaa lennättävä operaatioryhmä ESAn Euroopan avaruusoperaatiokeskuksesta Saksasta ja valtava konsortio tietojenkäsittelyasiantuntijoita, jotka ovat yhdessä varmistaneet tämän kauniin tehtävän sujuvan suorittamisen niin pitkään."

Gaia poistetaan käytöstä

Vaikka tieteelliset havainnot päättyivät tänään (15.1.2025), nyt alkaa lyhyt teknologian testausjakso. Testien avulla voidaan parantaa edelleen Gaian laitteistojen kalibrointeja, oppia lisää tietyn teknologian käyttäytymisestä kymmenen vuoden kuluttua avaruudessa ja jopa auttaa tulevien avaruuslentojen suunnittelussa.

Useiden viikkojen testauksen jälkeen Gaia poistetaan nykyiseltä radaltaan Lagrangen L2 pisteestä, joka sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta Auringosta poispäin. Se siirretään lopulliselle heliosentriselle radalleen, kauas Maan vaikutuspiiristä. Avaruusobservatorio passivoidaan 27. maaliskuuta 2025, jotta se ei aiheuttaisi vahinkoa tai häiriöitä muille avaruusaluksille.