NASA's Lucy-ruimtevaartuig wordt in oktober 2021 gelanceerd op een 12-jarige reis naar de Trojaanse asteroïden van Jupiter. De Lucy-missie omvat drie zwaartekrachtassistenten van de aarde en bezoeken aan acht asteroïden.

"Trojans" genoemd naar personages uit de Griekse mythologie, de meeste van Lucy's doel-asteroïden zijn overgebleven van de vorming van het zonnestelsel. Deze Trojanen cirkelen om de zon in twee zwermen:een die voorafgaat en een die Jupiter volgt in zijn baan om de zon. Lucy zal het eerste ruimtevaartuig zijn dat de Trojanen bezoekt, en de eerste die zoveel onafhankelijke zonnestelseldoelen heeft onderzocht, elk in zijn eigen baan om de zon.

Door de Trojaanse asteroïden van Jupiter van dichtbij te bestuderen, kunnen wetenschappers hun theorieën aanscherpen over hoe de planeten van ons zonnestelsel 4,5 miljard jaar geleden werden gevormd en waarom ze in hun huidige configuratie terechtkwamen. "Het is bijna alsof we terug in de tijd reizen, " zei lucht- en ruimtevaartingenieur Jacob Englander, die hielp bij het ontwerpen van Lucy's traject terwijl hij werkte bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Zeven jaar geleden voor het eerst bedacht als een missie naar twee asteroïden, Lucy groeide uit tot epische proporties dankzij creatieve engineering en onberispelijke timing. Sommigen denken dat karma er ook iets mee te maken kan hebben:"Ik maak vaak grapjes dat ik mijn hele carrière heb doorgebracht met aanbidden aan de voeten van de goden van de hemelmechanica, " zei Lucy hoofdonderzoeker Harold Levison, een expert in planetaire dynamiek gebaseerd op de Boulder, Colorado, tak van Southwest Research Institute (SwRI), die is gevestigd in San Antonio. "Nu betalen ze ons terug voor die toewijding."

Het traject

Volgens de missielegende, het moment dat alles veranderde was in 2014, een paar jaar voordat NASA Lucy koos voor de vlucht. Brian Sutter, ontwerper van het missietraject van lange tijd van Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado, liep Levison door een computersimulatie van Lucy's voorgestelde route door het zonnestelsel.

Het leek Levison dat Lucy Patroclus zou passeren op weg naar zijn officiële doelen; Patroclus is een van een paar Trojaanse asteroïden die om elkaar heen draaien. Buiten medeweten van Sutter op het moment, Patroclus is een favoriete Trojan van Levison. Opgesloten in een binaire baan met zijn bijna-tweelingpartner Menoetius, het is een zeldzaam en mysterieus ras in de baan van Neptunus. De meeste asteroïden die zich in het binnenste zonnestelsel vestigden, zouden tijdens de turbulente planeetvormingsperiode die werd gekenmerkt door enorme botsingen, van hun partners zijn verscheurd.

Hoe bleef dit paar intact? Het antwoord kan belangrijke aanwijzingen bevatten voor de timing en uitvoering van planeetvorming, zei Levison. "Ik weet niet waarom Brian ervoor koos om Patroclus op te nemen; misschien was het een van de groten, misschien vond hij de naam leuk, "zei hij. "Maar toen ik het zag, Ik herinner me dat ik riep:"Wacht, wacht:kunnen we daarheen gaan?'"

Sutter ontwierp al tientallen jaren ruimtevaarttrajecten, waaronder die voor NASA's asteroïde monsterretourmissie OSIRIS-REx en NASA's Mars Odyssey Orbiter, met ruimtevaartuig gebouwd door Lockheed Martin. Hij nam Patroclus en Menoetius op in Lucy's baansimulatie, simpelweg omdat ze zich in de hemelse buurt bevonden; het paar was niet helemaal op het pad van Lucy. Maar Sutter controleerde of het zonnestelsel in de toekomst zodanig zou worden uitgelijnd dat Lucy's baan het dicht genoeg bij het paar zou kunnen brengen om ze te observeren.

Zoals het gebeurde, Lucy en het Patroclus-Menoetius-paar kruisten elkaar in 2033. "Het was gewoon geluk, ' zei Levison.

Deze bevinding inspireerde Sutter om andere doelen langs Lucy's pad te zoeken tijdens de missieperiode. Hij voedde 750, 000 bekende planetoïde-banen in een spreadsheet, plus Lucy's traject op dat moment, en bracht maanden door met het uitvoeren van berekeningen die een handvol extra asteroïden vonden - asteroïden met verschillende chemische samenstellingen die perfecte wetenschappelijke doelen waren voor de missie.

"Ik bleef ontmoetingen toevoegen in mijn simulatie totdat we geen brandstof meer hadden in het ruimtevaartuig, en daar eindigden we Lucy's traject, "Zei Sutter. "Echter, Ik wist ook dat er onderweg meer doelen zijn, en we zouden ze kunnen bereiken als we wat meer brandstof hadden."

Zoals hij altijd heeft gedaan, Sutter gebruikte Excel als een van zijn trajecthulpmiddelen - een programma dat de meeste mensen associëren met boekhouding - om Lucy's pad door de ruimte te ontwerpen. "Ik kan er allerlei magische dingen in doen, " zei Sutter. Het zou Engelander kosten, die bij NASA Goddard werkte, om het traject te optimaliseren en het ruimtevaartuig naar acht doelen te brengen met een diameter van ongeveer 2 mijl (3 kilometer) tot 70 mijl (113 kilometer).

Nu een missieontwerper bij het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, Englander was niet betrokken bij Lucy op het moment dat hij erover las op een populaire nieuwssite. Hij bouwde een krachtige software genaamd Evolutionary Mission Trajectory Generator, of EMTG, nu beschikbaar als open-source software voor iedereen die het wil gebruiken. EMTG kan miljoenen trajectscenario's in uren in plaats van maanden doorlopen. "Ik had het gevoel dat het goed zou zijn voor Brian en het team als ik ze een versie zou geven van het traject weergegeven in EMTG, dus ik heb de missie reverse-engineered op basis van het artikel, ’ zei Engeland.

De route De software van Englander identificeerde een lager brandstofverbruik en de grootte van Lucy's draagraket. Als resultaat, het bespaarde het missiegeld terwijl het langs meer asteroïden voerde, Engelander een positie in het team veiligstellen, en het opzetten van Lucy om geselecteerd te worden door NASA in 2017.

Nutsvoorzieningen, Lucy zal vanaf de aarde lanceren aan boord van een Atlas V 401-raket tijdens een venster dat op 16 oktober opent, 2021. Het zal eerst twee keer langs de aarde vliegen om de zwaartekracht van deze planeet te gebruiken om zich naar de Trojanen te slingeren. in 2025, Lucy zal langs Donaldjohanson vliegen, die in de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter draait. Het team zal deze flyby gebruiken om de instrumenten van het ruimtevaartuig te testen.

Tegen augustus 2027, Lucy zal zijn eerste zwerm Trojaanse paarden bereiken die Jupiter voorafgaan op een zwaartekrachtstabiele locatie die bekend staat als een Lagrange-punt, specifiek bekend als L4. Daar, het ruimtevaartuig zal eerst Eurybates kruisen (uitgesproken als "yoo-RIB-a-teez" of "you-ri-BAY-teez") en zijn satelliet Queta ("KEH-tah").

Tegen september 2027, Lucy vliegt langs Polymele ("pah-li-MEH-lee" of "pah-LIM-ah-lee"), en vervolgens in april 2028 door Leucus ("LYOO-kus" of "LOO-kus"), en Orus ("O-rus") in november 2028.

Lucy zwaait dan terug langs de aarde voor een derde zwaartekrachthulp, die het naar de zwerm aan de andere kant van Jupiter zal katapulteren, gelegen op het L5 Lagrange-punt, waar het in 2033 Patroclus ("pa-TROH-klus") en Menoetius ("meno-EE-shus" of "meh-NEE-shus") zal ontmoeten.

De wetenschap

De Trojanen zijn clusters van rotskorrels en exotisch ijs die niet samensmolten tot planeten toen het zonnestelsel werd gevormd. Ze behoren tot de best bewaarde bewijzen die we uit die periode hebben bewaard en zijn dus de sleutel om uit te leggen hoe het zonnestelsel eruitzag zoals het eruit ziet.

"Als we terugkijken op het zonnestelsel en onze plek hier op aarde, mensen vragen vaak "Wat is onze geschiedenis? Hoe zijn we hier gekomen?" zei Cathy Olkin, Lucy's plaatsvervangend hoofdonderzoeker bij het Southwest Research Institute. 'Lucy gaat proberen een aantal van deze vragen te beantwoorden.'

Er zijn een handvol theorieën die uitleggen hoe planeten, manen, en andere objecten vormden zich en kwamen op hun huidige locaties terecht. Levison, bijvoorbeeld, is co-auteur van het Nice-model, genoemd naar de stad in Frankrijk waar het in 2004 werd ontwikkeld. Deze computersimulatie van het vroege zonnestelsel suggereert dat de reus, gasvormige planeten begonnen in een opeengepakte configuratie rond de zon. Eventueel, zwaartekrachtinteracties met de schijf van kleine lichamen en met elkaar zorgden ervoor dat de groeiende planeten uit elkaar dreven. Neptunus, Uranus, en Saturnus spreidde zich verder van de zon uit, terwijl Jupiter iets dichterbij kwam.

"In deze theorie deze herschikking veroorzaakte chaotische ontwrichting, " zei Olkin, een planetaire wetenschapper, "veel lichamen uit het zonnestelsel verstrooien en er enkele naar binnen trekken en ze rond de Lagrange-punten opsluiten. Dat is een mogelijke verklaring voor hoe de Trojaanse paarden van Jupiter zijn ontstaan."

Door de samenstelling van de Jupiter-trojanen te vergelijken, kunnen wetenschappers hun geschiedenis ontrafelen. Van aarde- en ruimtetelescopen, Trojaanse paarden zien er qua samenstelling anders uit. Komt dat omdat ze allemaal uit een ander deel van het zonnestelsel kwamen en dus van verschillende materialen waren gemaakt? Of zijn de Trojaanse paarden van hetzelfde materiaal gemaakt, met verschillen alleen zichtbaar op hun oppervlakken, die kunnen zijn veranderd door verschillende graden van verwarming, straling, en botsingen die de asteroïden hebben ervaren terwijl ze hun weg naar hun huidige Lagrange-posities vonden.

Wetenschappers zullen samen met Lucy proberen deze en andere vragen te beantwoorden door gebruik te maken van instrumenten zoals L'Ralph, die is gebaseerd op een soortgelijke die Olkin leidde op NASA's New Horizons-ruimtevaartuig. L'Ralph zal de chemische samenstelling onderzoeken van de hoeken en gaten van asteroïde-oppervlakken van ongeveer 620 mijl, of 1, 000 kilometer, gemiddeld weg. Diepe kraterbedden, of kraterwanden, kan toegang bieden tot het interieur van deze asteroïden, die zijn gemaakt van jongere materialen (miljoenen jaren oud versus miljarden jaren voor het oudste buitenoppervlak). Dergelijke "frisse" oppervlakken zouden vermoedelijk niet zijn blootgesteld aan zoveel straling en micrometeorietinslagen, en zou dus een deel van de oorspronkelijke samenstelling van de asteroïde kunnen behouden.

Met behulp van Lucy's L'LORRI zwart-wit camera zullen wetenschappers het aantal kraters op asteroïde oppervlakken tellen, die aanwijzingen zullen geven over de omgevingen waaraan de asteroïden miljarden jaren geleden werden blootgesteld. Veel grote kraters zouden erop wijzen dat de asteroïde zich in het turbulente en warmere gebied dichter bij de zon heeft gevormd; terwijl minder kraters zouden betekenen dat het Trojaanse paard gevormd is in het relatief rustige en koude buitenste gebied van het ontluikende zonnestelsel. Uitzoeken waar deze asteroïden gevormd zijn in de schijf van gas en stof die het zonnestelsel voortbracht, plus andere vormen van bewijs, zal wetenschappers helpen hun theorieën over planetaire vorming te testen.

"Dat zou het verhaal zijn dat ik de komende tien jaar zou willen zien ontvouwen, ' zei Levison.

Een lange missie

Hoewel de meeste NASA-missies meerdere jaren duren, ingenieurs bouwen zulke duurzame ruimtevaartuigen en instrumenten dat ze veel verder kunnen gaan dan hun primaire taken, en, inderdaad, velen doen. De New Horizons-missie naar Pluto, bijvoorbeeld, is ontworpen om 10,5 jaar mee te gaan, inclusief een reis van negen en een half jaar naar de dwergplaneet. Maar de missie werd verlengd, en het ruimtevaartuig blijft tot op de dag van vandaag actief, 15 jaar na de lancering in 2006.

Lucy's primaire missie van 12 jaar is NASA's langste tot nu toe. Om zo'n ambitieus streven vol te houden, het team moest niet alleen plannen voor de levensduur van het ruimtevaartuig - dat gedeeltelijk was gemodelleerd naar New Horizons - maar ook van zijn mensen. Van het bedenken van de missie, voorstellen indienen bij NASA, om geselecteerd te worden en het ruimtevaartuig te bouwen, sommige teamleden hebben al meer dan een decennium aan Lucy gewerkt - en het ruimtevaartuig is nog niet eens gelanceerd! Sommigen zullen een groot deel van hun volwassen leven aan deze missie werken. En als Lucy doorgaat met een uitgebreide missie, het kan tientallen jaren vliegen.

"Het zou best kunnen dat tegen de tijd dat Lucy klaar is, of zonder benzine, dat mijn zoon die net geboren is de leeftijd zal hebben die ik nu ben, " zei Engeland, die 37 jaar oud is, "en dat is gewoon heel gaaf!"

Maar mensen veranderen van baan en gaan met pensioen, dus gezien Lucy's leven, het team wilde grote verstoringen tijdens deze onvermijdelijke veranderingen voorkomen. Om dit te doen, het team nam een ​​opvolgingsplan op in Lucy's ontwerp:missieleiders die de neiging hebben om verder te zijn in hun carrière, hebben jongere afgevaardigden die het over kunnen nemen indien nodig. "We hadden vanaf het begin oog voor de levensduur, " zei Levison, die 75 zal zijn tegen de tijd dat de primaire missie eindigt in 2033.

Patroclus en Menoëtius, voortgezet....

Gelegen in de zwerm Trojaanse asteroïden die Jupiter in zijn baan volgt, het binaire paar Patroclus en Menoetius, ongeveer gelijk in massa, draaien rond het massamiddelpunt tussen hen in - "als een halter zonder staaf, " merkte Sutter op. Er is goed bewijs dat de eerste grote dingen die zich in het zonnestelsel vormden, dit soort dubbelsterren waren.

Vandaag, de meeste van dergelijke binaries zijn beperkt tot de Kuipergordel, een donutvormig gebied van de oudste en minst gewijzigde kometen en andere objecten gemaakt van ijs, steen, en stof. Deze gordel strekt zich uit van de baan van de buitenste planeet Neptunus tot voorbij de baan van Pluto.

Het huidige bewijs geeft aan dat Patroclus en Menoetius waarschijnlijk gevormd zijn in het buitenste zonnestelsel, op dezelfde plaats als veel van de Kuipergordel-objecten - ze hopen zeker te leren wanneer Lucy in 2033 in de buurt komt. Als dat zo is, dit Trojaanse paar is misschien de beste hoop van wetenschappers om meer Kuipergordel-achtige objecten te bereiken (New Horizons bezocht Kuipergordelobject Arrokoth in 2019).

Wetenschappers zoals Levison theoretiseren dat toen de reuzenplaneten ongeveer 4 tot 4,5 miljard jaar geleden hun banen begonnen te veranderen, ze alles om hen heen verspreidden. Patroclus en Menoetius werden naar binnen verstrooid in de richting van Jupiter, terwijl veel andere objecten in de Kuipergordel werden gevangen, en sommige werden gelanceerd buiten het zonnestelsel. "Dus, we zoeken naar aanwijzingen of dat klopt of niet, " zei Keith Noll, Lucy projectwetenschapper bij NASA Goddard.

Als Lucy het Patroclus-paar bereikt, wetenschappers zullen hun samenstelling en het aantal kraters op hun oppervlak onderzoeken. "Zullen ze glad zijn of in elkaar geslagen?" zei Noll. 'En worden ze een beetje of veel geslagen?' Het vinden van antwoorden op deze vragen zal wetenschappers inzicht geven in de relatieve leeftijd van de Trojaanse asteroïden en de omstandigheden van het vroege zonnestelsel.