ESA:n Hera-operaatio: Marsin ohitus ja matka Didymokselle

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Hera-avaruusalus suorittaa 12. maaliskuuta 2025 merkittävän ohilennon Marsin ohi osana planeettojen puolustamiseen tähtäävää missiotaan. Marsin gravitaatio muuttaa Heran lentorataa, ohjaten sen kohti Didymos-kaksoisasteroidijärjestelmää ja lyhentäen sen matkaa useilla kuukausilla. Tämä manööveri mahdollistaa myös huomattavan polttoainesäästön.

Marsin Deimos-kuu. Kuva Wikimedia Commons.

Marsin ohituksen aikana Hera käyttää ensimmäistä kertaa tieteellisiä instrumenttejaan Deimoksen, Marsin pienemmän ja vähemmän tunnetun kuun, kuvaamiseen. Hera havaitsi Marsin jo kymmenen vuorokautta ennen ohitusta, jolloin planeetta näkyi avaruusaluksen kameroissa noin kymmenen pikselin kokoisena.

Deimos on kooltaan 15 × 12,2 × 10,4 km ja sen keskietäisyys Marsista on 23 463 km. Sen alkuperä on yhä arvoitus: se onkin epäilty olevan Marsin kiertoradalle vangiksi jäänyt Jupiterin radaltaan siirtämä asteroidi. Monien muidenkin planeettojen kiertoradoilla olevat pienet kuut voivat olla kaapattuja asteroideja, etenkin sellaiset, joiden kiertosuunta on pääkiertosuuntaan vastaan.

Hera kuvaa Deimosin Marsista poispäin kääntyneen puolen, ja nämä kuvat voivat tarjota tärkeitä tietoja Japanin vuonna 2026 toteutettavalle Marsin kuiden tutkimusmatkalle (MMX, Martian Moons eXploration Mission).

 

HERAn tekemän Deimos-kuun ohilennon vaiheet. Klikaa kuvaa suuremmaksi yksityiskohtien näkymisen helpottamiseksi. Kuva ESA.

Ohilennon keskeiset vaiheet

• Hera saapuu noin 5 000 kilometrin etäisyydelle Marsin pinnasta ja vain 300 kilometrin päähän Deimoksesta.
• Marsin ohituksen jälkeen avaruusalus ehtii kuvata myös Marsin toista kuuta, Phobosta.
• Heran nopeus Marsiin nähden pysyy ennallaan, mutta sen suunta muuttuu kohti Didymosta polttoainetehokkaalla kurssilla.

ESA järjestää 13. maaliskuuta 2025 webcast-lähetyksen, jossa seurataan Heran ohilentoa ja sen keräämiä kuvia.

Lisätietoja Deimoksesta. Kuva ESA.

 

Gravitaatioavustukset ja tieteelliset tavoitteet

Useimmat ESAn planeettojenväliset lennot hyödyntävät planeettojen gravitaatiota nopeuden lisäämiseksi tai reitin muuttamiseksi ohilennoillaan. Tällaiset gravitaatioavusteiset radat suunnitellaan ESAn lentodynamiikkaryhmässä Saksassa. Visualisoinnit ja kuvantamisen suunnittelutukea tarjoaa ESAC-tiimi Espanjassa.

Heran instrumentit

Heran käyttämät instrumentit yli 1 000 kilometrin etäisyydellä Deimoksesta ovat:

• Asteroidikuvakamera: Kaksi 1020 × 1020 pikselin monokromaattista näkyvän valon sensoria navigointiin ja tieteelliseen tutkimukseen.
• Hyperscout H: Anturi, joka havaitsee valoa laajalla spektrillä. Se kattaa 25 näkyvän ja lähi-infrapunan spektrialuetta.
• Thermal Infrared Imager: Japan Aerospace Exploration Agencyn (JAXA) kehittämä keski-infrapuna-alueella toimiva kamera, joka kartoittaa pintamaisemia.

Kohti Didymosta

Heran Mars-ohitus asettaa sen radalle kohti lopullista määränpäätään, Didymos-kaksoisasteroidijärjestelmää, johon se saapuu vuoden 2026 lopulla. 

Kaavio HERA-luotaimen tehtävästä. Klikkaa kuvaa suuremmaksi. Kuva ESA.

Didymoksen pääasteroidi on 750 ± 100 metriä halkaisijaltaan, kun taas sen pienempi kumppani, Dimorphos, on vain 170 ± 30 m kokoinen. Kappaleiden välinen keskietäisyys on 1,18 ± 0,03 km ja kiertoaika 0,4958 ± 0,0002 vuorokautta (11h 55m 17,3s ± 0,2s ennen ja 11h 22m 03,4s ± 5,0s jälkeen DART-luotaimen törmäystä). Järjestelmä kiertää Auringon 770 vuorokaudessa (2,11 vuotta). Dimorphoksen rata muuttui NASAn DART-mission törmäyksen seurauksena 26.9.2022.

Osana maailman ensimmäistä asteroidin poikkeutuskokeilua Hera tekee yksityiskohtaisen törmäyksen jälkeisen havainnoinnin kohdeasteroidista. Heran lähettämät tiedot auttavat parantamaan ymmärrystämme asteroidien poikkeutustekniikoista ja siten lisäävät maapallon turvallisuutta tulevaisuudessa. Heran tekemien havaintojen avulla tutkijat muuttavat suuren mittakaavan kokeen hyvin ymmärretyksi ja toistettavaksi planeetan puolustustekniikaksi. 

 

 

Phobos pirstoutuu muutamassa kymmenessä miljoonassa vuodessa

Phobos on kooltaan 26,8 × 22,4 × 18,4 km
ja se kiertää Marsia 9376 km
keskietäisyydellä. Phobosin pyörähdysaika
on lukkiutunut kiertoaikaan, joten se
kääntää aina saman puolen kohti Marsia.
Kuva NASA / JPL-Caltech / University of Arizona.

Mars-planeetalla on kaksi pientä kuuta: Phobos ja Deimos. Yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Asaph Hall havaitsi molemmat kuut vuonna 1877. Etenkin Phobos on poikkeuksellinen kuu, sillä se kiertää nopeammin kuin mitä Mars pyörii itsensä ympäri. Phobosin kiertoaika on vain 7 h 39,2 minuuttia.

Nopeasta kiertoajasta syntyy ehkä hieman odottamaton ilmiö: Phobos menettää energiaansa vuorovesivoimasta johtua. Energian menetys näkyy siinä, että uusimman tutkimuksen ^[1] mukaan sen kiertorata vajoaa noin 2 metriä vuodessa. Radan vajoamisen seurauksena Phobos lähestyy Marsin Rochen rajaa^[2], joka merkitsee viimeistään tässä vaiheessa pirstoutumista.

Tarkkaan ottaen pirstoutuminen riippuu kuun sisäisestä rakenteesta. Jos kuu on monoliitti (yhtenäinen kappale) koheesiovoimat jaksavat pitää Phoboksen koossa Rochen rajan sisäpuolelle asti. Jos Phobos on vain kasa soraa, pirstoutuminen alkaa jo ennen Rochen rajaa. Jotkut tutkijat näkevät jo nyt Phoboksessa selviä merkkejä pirstoutumisen alkamisesta vaikka Black ja Mittal laskevat pirstoutumisen tapahtuvan 20–40 miljoonan vuoden kuluttua.

Phoboksen pirstaloitumisen seurauksena Marsin kiertoradalle muodostuu kivistä ja pölystä koostuva rengas. Rakenteellisesti se poikkeaa esimerkiksi Saturnuksen renkaista, jotka ovat enimmäkseen vesijäätä.  Erilaisesta koostumuksesta johtuen Marsin renkaat eivät ole kovinkaan kirkkaat ja niiden näkeminen Maasta näkyvässä valossa on mitä todennäköisimmin lähes mahdotonta. Infrapunaisessa valossa rengas kuitenkin näkynee suhteellisen helposti, jos maapallolla silloin on teknisesti kehittynyt kulttuuri havaintoja tekemässä.

Huomautukset

[1] Tohtori Benjamin Black ja opiskelija Tushar Mittal (molemmat Department of Earth and Planetary Science, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720, USA) julkaisivat tutkimusselostuksen Nature Geoscience -tiedelehdessä 23.11.2015 ilmestyneessä numerossa otsikolla ”The demise of Phobos and development of a Martian ring system”.

[2] Rochen rajasta käytetään myös nimityksiä Rochen pinta tai Rochen säde. Rochen rajan läheisyydessä tapahtuva pirstoutuminen johtuu siitä, että planeetan aiheuttama vuorovesivoima lähestyvässä kappaleessa on voimakkaampi kuin kappaletta koossa pitävä gravitaatio ja koheesiovoimat yhteensä. 

Matemaattisesti Rochen raja on suoraan verrannollinen planeetan säteeseen ja planeetan ja lähestyvän kappaleen tiheyksien suhteen kuutiojuureen

  tai

jossa

d = Rochen raja

R_M = planeetan säde

r_M = planeetan tiheys

r_m = lähestyvän kappaleen tiheys.

M_M = planeetan massa

M_m = lähestyvän kappaleen massa.

Maapallolla lähestyvälle komeetalle Rochen raja sijaitsee noin 17 887 km etäisyydellä eli noin 2,8×maapallon säteen etäisyydellä. Kuulle raja on noin 9 492 km eli 1,49× maapalon säteen etäisyydellä.

Phoboksen nykyinen etäisyys on noin 1,7× Rochen raja Marsille. Aurinkokunnassamme on muitakin hieman vastaavassa tilanteessa olevia kuita kuten Uranuksen Cordelia (1,54×), Neptunuksen Nada (1,39×) ja Thalassa (1,45×).