Komeettaluotain Rosetta lähdössä

Rosetta oli tarkoitus lähettää pitkälle matkalleen jo viime tammikuussa, mutta laukaisua jouduttiin siirtämään varotoimena Ariane 5 -raketin uudessa versiossa ilmenneiden teknisten ongelmien vuoksi. Lykkäyksen vuoksi alunperin luotaimen kohteeksi valittu komeetta Wirtanen jouduttiin vaihtamaan Churyumov-Gerasimenkoon, joka kiertää Aurinkoa sopivalla radalla ja on olemukseltaan luotaimen kannalta tarpeeksi turvallinen, mutta samalla mahdollisimman kiinnostava.

Edes voimakas Ariane 5 ei kykene lennättämään Rosettaa suoraan ulkoavaruuteen komeettaa tapaamaan, vaan luotain joutuu ottamaan lisävauhtia aurinkokunnan sisäosissa planeettojen ohilennoista usean vuoden ajan, ennen kuin sillä on tarpeeksi vauhtia nousta Jupiterin radan toiselle puolelle. Siellä se lähestyy komeettaa, asettuu kiertämään sitä ja pudottaa komeetan ytimen pinnalle pienen Philae-nimisen laskeutujan. Sen jälkeen kaksikko tutkii komeetaa vuoden päivät, kun se liikkuu radallaan lähemmäksi aurinkoa ja muuttuu uinuvasta likaisesta suuresta lumipallosta hurjaksi kaasua ja pölyä suihkuttavaksi pyrstötähdeksi.

Näytteitä aurinkokunnan alkuajoilta

Komeetat syntyivät samaan aikaan kun planeetat tiivistyivät planeettojenvälisestä kaasupilvestä. Nuori aurinko oli kerännyt ympärilleen kaasukiekon, josta muodostui planeettojen lisäksi suuri määrä pienempiä kappaleita. Suurin osa niistä törmäsi planeettoihin ja aurinkoon, mutta osa jäi kiertämään aurinkoa.

Komeetat ovat tuota alkuaurinkokunnan ainetta, ja ne ovat säilyneet koskemattomina, koska ne viettävät suuren osan ajastaan kaukana aurinkokunnan ulkoalueilla.

"Koska komeetat ovat aurinkokunnan vanhimpia kappaleita, auttaa niiden tutkiminen meitä ymmärtämään aurinkokunnan syntyä ja kehitystä", toteaa Rosetta-lennon tieteellinen johtaja Gerhard Schwehm. "Niinpä Rosetta on itse asiassa avaruusalus, jolla voimme lentää aurinkokunnan alkuaikoja tutkimaan. Saamme sen avulla toivottavasti vastauksen siihen, millainen oli se tähtienvälinen kaasupilvi, mistä aurinko ja planeetat syntyivät", Schwehm jatkaa.

Giotton jalanjäljillä

Schwehm ei ole ensimmäistä kertaa lähdössä komeettaa tutkimaan. Hän oli mukana jo 1980-luvulla tekemässä komeettaluotain Giottoa, joka lensi kuuluisan Halleyn komeetan ohitse vuonna 1986. "Giotto oli merkittävä luotain, koska se tutki ensimmäisenä aluksena komeettaa lähietäisyydeltä ja koska se oli ensimmäinen eurooppalainen avaruusalus, joka poistui Maan vaikutuspiiristä. Se oli ESAn ensimmäinen lento toiselle taivaankappaleelle", Schwehm listaa.

"Saimme Giotton avulla jopa yllättäviä tutkimustuloksia. Monet kollegamme kritisoivat lentoa etukäteen siksi, että heidän mielestään ohilennolla ei saataisi tarpeeksi tuloksia ja sen hyöty olisi mitätön, mutta oikeastaan jo ensimmäiset komeetan ytimestä otetut kuvat tekivät lennon perustelluksi, ne olivat niin tarkkoja ja hyviä", selittää Schwehm ja jatkaa: "saatoimme ensimmäisen kerran nähdä, että komeetan ydin on kiinteä, kompakti kappale, minkä lisäksi sen pinnalla olevat aktiivisuusalueet olivat selvästi paikallisia alueita, eikä koko pinta ollut suinkaan tasaisesti aktiivinen. Tätä ei voitu aikaisemmin varmuudella sanoa. Giotto vahvisti myös sen, että komeetasta lähtevässä kaasussa on paljon erilaisia orgaanisia molekyylejä. Mukana oli myös pölyn analysointilaitteet, jotka saivat selville millaisista mineraaleista komeetasta irtoavat pölyhiukkaset koostuvat ja kuinka suuria ne ovat."

Giotton avulla voitiin tutkia myös tarkasti sitä, miten komeetasta suihkuava kaasu vuorovaikuttaa auringosta koko ajan ulospäinvirtaavaan kaasuun, aurinkotuuleen. "Komeetan ytimen ympärillä on kaasusta ja pölystä koostuva pilvi, koma, johon aurinkotuuli törmää ja venyttää siitä komeetalle sen pitkän pyrstön. Pystyimme mittaamaan hyvin aurinkotuulen ja koman vuorovaikutusta, mikä on kiinnostavaa myös siksi, että komeetalla ei ole magneettikenttää, joka vaikuttaa esimerkiksi Maan ympärillä olevan kaasun ja aurinkotuulen vuorovaikutukseen", kertoo Schwehm edelleen ja nimittää leikillään komeetta kiinnostavaksi plasmafysiikan laboratorioksi.

"Mutta kuten aina, jokaista Giotton lennolla saatua kysymystä kohden saimme paljon uutta ihmeteltävää, ja toivomme nyt, että Rosetta auttaa meitä vastaamaan näihin kysymyksiin", Gerhard Schwehm toteaa.

67P/ Churyumov-Gerasimenko

Rosetta-luotaimen oli alunperin tarkoitus lentää komeetta 46P/Wirtasen luokse, mutta laukaisun lykkäämisen vuoksi kohde jouduttiin vaihtamaan toiseen komeettaan. Kiertoratojen armottomat säännöt estivät lennon Wirtaselle. Nyt noin kolme kertaa suurempikokoinen 67P/Churyumov-Gerasimenko saa Rosetan vieraakseen.

Komeetta löytyi vuonna 1969, kun kiovalaisten tähtitieteilijöiden joukko oli Alma-Atan astrofysikaalisessa instituutissa tekemässä komeettahavaintoja. Kun Klim Tshurjumov kävi läpi syyskuun 20. päivänä Svetlana Gerasimenkon komeetta 32P/Comas Solásta ottamia kuvia, hän löysi valokuvauslevyn reunalta komeetalta näyttäneen sumutäplän. Kiovassa tehdyissä tarkistuksissa se paljastui uudeksi komeetaksi. Uuden komeetan kiertoradasta tehdyt laskut osoittivat, että sillä oli takanaan varsin vaiheikas elämä. Vuoteen 1840 saakka se kiersi rauhallisesti aurinkoa radalla, jolla se ei tullut lainkaan aurinkokunnan sisäosiin. Sen lähin etäisyys auringosta oli neljä kertaa suurempi kuin on Maan ja auringon etäisyys, joten se ei näkynyt koskaan taivaalla Maasta katsottuna. Mutta vuonna 1840 se joutui kuitenkin radallaan lähelle Jupiteria, joka muutti sen rataa ensin varsin paljon ja sittemmin vähän kerrallaan sillä seurauksella, että nyt Churyumov-Gerasimenko saapuu lähes Maan radan etäisyydelle auringosta. Se kiertää auringon kerran 6,57 vuodessa, on lähimmillään aurinkoa 194 miljoonan kilometrin päässä ja etääntyy kauimmillaan auringosta 858 miljoona kilometrin päähän.

Churyumov-Gerasimenkon ydin on noin viisi kilometriä pitkä ja kolme kilometriä leveä, ja se pyörii akselinsa ympäri jokseenkin 12 tunnissa. Sen pinta-aktiivisuus tulee todennäköisesti olemaan varsin pientä laskeutujan laskeutumisen aikaan, mutta kasvaa voimakkaasti komeetan lähestyessä aurinkoa. Perihelissään, ratansa aurinkoa lähimmässä osassa, komeetta suihkuttaa innokkaasti ympärilleen niin pölyä kuin kaasuakin. Sen komasta on Maan päältä tehdyissä havainnoissa havaittu ainakin vettä, happea, hiilidioksidia ja useita typen, vedyn ja hiilen yhdisteitä.

Philae laskeutuu komeetan pinnalle

Rosetassa on mukana noin satakiloinen, kooltaan jokseenkin kuutiometrin oleva Philaeksi nimetty laskeutuja. "Se on käytännössä pienikokoinen laboratorio, joka lähetetään komeetan pinnalle. Eli sen sijaan, että toisimme näytteen komeetasta laboratorioon Maan pinnalle,viemme pienen automaattisen robottilaboratorion komeetan pinnalle", kuvailee laskeutujasta vastaava Philippe Kletzkine ja jatkaa: "Heti kun se laskeutuu komeetalle, alkaa se ottamaan valokuvia, mittaamaan magneettikenttää ja tutkimaan pinnan ominaisuuksia. Se ottaa näytteen pintamateriaalista pienellä kairalla ja laitetaan uuniin, missä näytettä kuumennetaan siten, että siitä irtoaa kaasua. Kaasuanalysaattorit määrittelevät sitten kaasun koostumuksen, kaikki molekyylit, atomit ja ionit. Näin saadaan selville millainen komeetta yleisesti ottaen on."

Laskeutuja odottaa vuoroaan kuukausien ajan sen jälkeen kun Rosetta on saapunut komeettansa luokse. Ytimen olemusta tutkittuaan ja sen pintaa kuvattuaan tutkijat päättävät kohdan, minne laskeutuja lähetetään. Se singautetaan irti luotaimesta yksinkertaisesti jousien avulla ja sen jälkeen se vajoaa hitaasti komeetan pienessä painovoimakentässä alaspäin. Heikko painovoima saa aikaan myös sen, että kun normaalisti laskeutujat tarvitsevat rakettimoottorit tai laskuvarjon laskeutumisnopeuden hillitsemiseksi, pitää Rosetan laskeutujaa suorastaan työntää rakettimoottorilla kohti komeetan pintaa.

"Laskeutuminen kestää vartista puoleen tuntiin riippuen siitä, miltä korkeudelta päätämme aloittaa laskeutumisen. Radioaaltojen hitauden vuoksi emme voi kauko-ohjata laskeutumista, vaan meidän on luotettava luotaimen oman automatiikan toimintaan", selittää Kletzkine ja kohauttaa olkapäitään: "Laskeutumiskäskyn jälkeen voimme vain toivoa parasta ja odottaa radioviestiä Churyumov-Gerasimenkon pinnalta." Laskeutuja tullee tömäämään pintaan jokseenkin kävelyvauhdilla.

Pintakosketuksen aikaan laskeutuja ankkuroi itsensä pinnalle kahdella harppuunamaisella ankkurilla. Tämän jälkeen sen laskeutumisjaloissa olevat ruuvit kiinnittävät Philaen tiiviimmin pintaan kiinni. Koska komeetan pinnan tarkkaa rakennetta ei tiedetä, on harppuunassa kaksimetrinen vaijeri siltä varalta, että kiinteän pinnan päällä on paksulti höttömäistä ainetta.

"Pinta voi olla hyvinkin haperoa jäämurskaa tai kivikovaa kalliota, joten harppuuna on suunniteltu toimimaan mahdollisimman erilaisissa pintamateriaaleissa", kertoo Kletzkine ja huomauttaa hymyillen, ettei koskaan aikaisemmin avaruuslaitteissa ole tarvittu ankkureita. Jos tarrautuminen komeetan pinnalle ei onnistu, sinkoutuu laskeutuja takaisin avaruuteen ja pystyy tuskin palaamaan enää takaisin.

Philae-laskeutuja tulee toimimaan komeetan ytimen pinnalla ainakin 65 tunnin ajan akkujensa voimin, mutta jos - ja toivottavasti kun - sen aurinkopaneelit saavat tarpeeksi virtaa auringon säteilystä, voi se jatkaa toimintaansa kuukausien ajan.

Kun komeetta vaihtui toiseksi, sai se myös laskeutujan suunnittelijoihin vipinää, koska Churyumov-Gerasimenko on noin kolme kertaa suurempi kooltaan kuin Rosetan alkuperäinen kohde Wirtanen. "Meidän pitäisi kyetä laskeutumaan hieman suuremmalle komeetalle myös ilman ongelmia, mutta olemme varmuuden vuoksi lisänneet laskutelineeseen erityisen kallistuskulman rajoittimen", selittää Kletzkine. "Ongelmana ei ole niinkään laskeutuminen tasaiselle pinnalle, mikä onnistuu hyvin myös suuremmalla komeetalla, mutta jos pinta on epätasainen tai kallistunut, niin harppuunan vaijeri saattaa vetää laskeutujan vinoon, joten laskutelineen kallistuskulmaa rajoittava osa on tarpeen. Silloin laskeutuja pystyy asettumaan kunnolla erilaisille pinnoille."

Edistyksellinen avaruusalus, huipputarkat tutkimuslaitteet

Rosetan hyvin erikoinen lento asettaa kovat vaatimukset sen tekniikalle. Itse luotain on kooltaan noin 2,8 x 2,1 x 2,0 metriä oleva mustanpuhuva laatikko, jonka pinnalla on tutkimuslaitteiden aukkoja: kaikki mahdolliset laitteet on sijoitettu suojaan luotaimen sisään ja ulos aluksesta sojottavat instrumenttien havaintoikkunat ja anturit.

Suurimmat luotaimen ulkonevat osat ovat kuitenkin sen pitkät aurinkopaneelit, joiden pinta-ala on yhteensä 64 neliömetriä ja joiden kärkiväli on peräti 32 metriä. Rosetta tulee lentämään kauaksi auringosta, joten se tarvitsee voimansa keräämiseen suuret aurinkopaneelit. Se on kauimmaksi auringosta lentävä, yksinomaan aurinkovoimalla toimiva avaruusalus.

Paitsi että se tulee lentämään pitkän aikaa aurinkokunnan kylmissä ulko-osissa, lentää se radallaan myös Maata lähemmäksi aurinkoa, mikä on tehnyt sen lämmönhallinnan suunnittelusta ongelmallista. Luotain on päällystetty mustalla lämpösuojakerroksella ja sen kyljessä olevien lämmönsäteilimien päällä on erityisiä räppänätyylisiä luukkuja, jotka hillitsevät lämmön katoamista avaruuteen silloin, kun alus lentää kaukana auringosta. Lähellä aurinkoa ne puolestaan auttavat säteilemään ylimääräistä lämpöä ulos aluksesta.

Elektroniikaltaan ja ohjausjärjestelmiltään Rosetta on suunniteltu erittäin toimintavarmaksi ja itsenäiseksi. Se asetetaan pitkiksi ajoiksi horrokseen ja se kykenee huolentimaan omasta lentämisestään omin nokkinensa muutamia kriittisimpiä hetkiä lukuunottamatta. Alukseen pidetään yhteyttä ESAn Australiassa, Perthin lähellä olevan antennin valityksellä. Aluksen ohjaamisesta huolehtii puolestaan Euroopan avaruusohjauskeskus ESOC, joka sijaitsee Saksassa Darmstadtissa.

"Luotaimessa on mukana kaikkiaan 20 tieteellistä tutkimuslaitetta, joilla mitataan, kuvataan ja sondataan niin komeetan ydintä kuin sen ympäristöäkin", kertoo Gerhard Schwehm. "Saamme ytimen pinnasta huipputarkkoja kuvia, tutkimme mikroskoopilla yksittäisten pölyhiukkasten muotoa ja havaitsemme komeetan suihkuttaman kaasun sekoittumista aurinkotuuleen", Schwahm jatkaa. "Teemme siis laajalla skaalalla mittauksia, joiden perusteella saamme paljon tietoa siitä miten komeetta toimii, mikä on sen rakenne, millainen on sen historia, ja niin edelleen aina aurinkokunnan syntyyn saakka."

Mukana paljon suomalaisosaamista

Suomalaisilla on vahva panos Rosetan havaintolaitteiden tekemisessä ja suunnittelussa. Ilmatieteen laitoksen Geofysiikan osaston planeettatutkimusryhmä on osallistunut kaikkiaan kuuden instrumentin suunnitteluun ja rakentamiseen. Näistä neljä on kiertolaisessa olevaa mittalaitetta: COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyzer), MIP (Mutual Impedance Probe), LAP (Langmuir Probe) ja ICA (Ion Composition Analyzer). Näistä erityisesti COSIMA on lähellä Ilmatieteen laitoksen sydäntä, sillä sen ensimmäinen versio lentää parhaillaan amerikkalaisessa Stardust-luotaimessa, joka ohitti komeetta Wild2:n nyt tammikuussa, ja sen seuraava versio tullaan laittamaan ESAn Venus Express -luotaimeen.

Ilmatieteen laitos on mukana myös Rosetan laskeutujassa: Planeettaryhmä on päävastuussa veden etsintään käytettävästä, PP-laitteesta (Permittivity Probe), jonka lisäksi se toimittaa massamuistin laskeutujan muistiyksikköön. PP-laite liittyy laskeutujassa olevaan suurempaan instrumenttikokonaisuuteen, SESAMEen, jonka tehtävänä on mitata komeetan ytimen pintakerrosten ominaisuuksia, erityisesti sähköisiä ominaisuuksia. PP-laitteen anturit ovat ensimmäiset komeetan pintaan osuvat laskeutujan osat, koska laskeutujan laskutelineinä toimivien jalkojen tassut ovat itse asiassa laitteen antureita.

Avaruusaluksiin tehtävien laitteiden ja ohjelmistojen lisäksi Ilmatieteen laitos on mukana instrumenttien lähettämien tietojen tutkimisessa, mihin liittyen COSIMA:n, PP:n ja MIP:n maatukilaitteistot ovat suomalaisten suunnittelemia.

Rosetan suomalaisosuutta lisää Patria, joka on tehnyt luotaimen koko runkorakenteen ja sen sähköjärjestelmän virranjakoyksiköt. Virranjakoyksiköistä toinen toimittaa sähkövirtaa itse luotaimen eri laitteille ja toinen sen tieteellisille instrumenteille. Runkorakenne on hiilikuitikomposiittia, jollaisesta Patria on aikaisemmin rakentanut mm. XMM-Newton -röntgenteleskoopin suuren keskusputken. Patrian tekemän kaupan arvo oli noin 15,5 miljoonaa euroa ja yksittäisenä hankkeena se oli Suomen suurin avaruuskauppa.

Patrian ja Ilmatieteen laitoksen lisäksi hankkeeseen on osallistunut 45 suomalaista alihankkijaa.

Lisätietoja:

Tekes: teknologiajohtaja Kari Tilli, p. 050 5577 850 (Laukaisupäivänä 26.2.2004 Kouroussa p. 0400 727 660)
Patria: projektipäällikkö Kimmo Myllyoja, p. 040 869 2325, liiketoimintajohtaja Juhani Lehmusvirta, p. 040 869 2314
Ilmatieteen laitos: professori Hannu Koskinen, p. 050 532 1738, projektipäällikkö Walter Schmidt, p. 050 324 3107