اوزیریس-رکس: مأموریتی برای نمونه‌برداری از خاستگاه‌ها

«اوزیریس-رکس» نام جدیدترین فضاپیمای اکتشافی سازمان فضایی ایالات متحده (ناسا) است، که قرار است پنجشنبه، هشتم سپتامبر، عازم مأموریتی هفت‌ساله و کم‌سابقه به مقصد سیارک «بنو» (Bennu) بشود.

این فضاپیما مأموریت دارد که پس از بررسی‌های اولیه‌ای که در سال ۲۰۱۸ به مدت مجموعاً ۵۰۵ روز بر این سیارک صورت خواهد داد، حداقل ۶۰ گرم از خاک سطحی آن را به زمین منتقل کند؛ اقدامی که اگرچه طی تاریخ اکتشافات فضاییْ بی‌سابقه نیست، اما خیز بلندی به سمت یک رؤیای نسبتاً جدّی به شمار می‌رود: معدن‌کاوی سیارک‌ها.

گذشته از ماه، که تاکنون مقصد چندین و چند مأموریت سرنشین‌دار و بی‌سرنشین اکتشافی بوده و در مجموع ۳۸۱ کیلوگرم از خاک آن (طی شش مأموریت سرنشین‌دار آپولو در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰، و سه مأموریت روسی و بی‌سرنشین لونا در اوایل تا اواسط دهه ۱۹۷۰) به زمین انتقال یافته، نمونه‌‌برداری‌های دیگری هم از مقاصد فرازمینی صورت گرفته، که عبارتند از: ذرات معلق در مدار زمین (طی مأموریت روسی ODC بر ایستگاه فضایی بازنشسته میر در حدفاصل سالیان ۱۹۹۶ تا ۱۹۹۷)، ذرات باد خورشیدی (طی مأموریت نیمه‌موفق «جنسیس» ناسا در حدفاصل سالیان ۲۰۰۱ تا ۲۰۰۴)، ذرات معلق در گیسوی دنباله‌دار «ویلد ۲» و همچین چند دانه غبار میان‌ستاره‌ای (طی مأموریت «استارداست» ناسا در سال ۲۰۰۴) ، و سیارک «ایتوکاوا» (طی مأموریت ژاپنی نیمه‌موفق «هایابوسا»، در سال ۲۰۰۵).

در حال حاضر نیز مأموریت ژاپنی «هایابوسا-۲» در راه ملاقات با سیارک «ربوگو»ست تا طی مأموریت یک‌ساله‌ای که در حدفاصل ژوئیه ۲۰۱۸ تا دسامبر ۲۰۱۹ در مدارش خواهد داشت، نمونه‌ای از خاک آن را هم به زمین منتقل کند.

مأموریت اخیر ناسا، با عنوان کامل «کاوشگر منشأکاوی، طیف‌شناسی، منبع‌یابی، اطمینان‌بخشی، و بررسی سنگ‌پوش [سیارک]» (اختصاراً OSIRIS-REx)، از بین نمونه‌های فوق، بیشتر به دو مأموریت ژاپنی هایابوسا شباهت دارد؛ که هدف از طراحی و اعزام آن‌ها هم نمونه‌برداری از سطح دو سیارک بوده است – هرچند که ساز و کار این نمونه‌‌برداری در این فضاپیماها تفاوت می‌کند.

اوزیریس-رکس، هفتمین کاوشگری است که به ملاقات یک سیارک می‌رود، و چهارمین کاوشگری که اختصاصاً به کاوش یک سیارک می‌پردازد؛ و بنو هم سیزدهمین سیارکی که مورد بررسی نزدیک یک فضاپیما قرار می‌گیرد.

اما چرا باید از بین پانصدهزار سیارک شناخته‌شده منظومه‌مان، اوزیریس-رکس از سیارک نسبتاً کوچک بنو (با قطر متوسط ۴۹۲ متر) نمونه‌‌برداری بکند؟

مقصد: سیارک بنو  

برای یک مأموریت نمونه‌‌برداری نظیر اوزیریس-‌رکس، مقرون‌به‌صرفه‌ترین و سهل‌الوصول‌ترین مقاصد، سیارک‌های واقع در حدفاصل حدود ۲۴۰ تا ۱۲۰ میلیون کیلومتری خورشید هستند؛ سیارک‌هایی که به اقتضای موقعیت نسبی‌شان، تحت عنوان «اجرام نزدیک به زمین» (NEO) شناخته می‌شوند. با این وجود، از بین حدود هفت‌هزار NEO شناسایی‌شده تاکنون، مدار فقط ۱۹۲ سیارکْ انحراف زاویه‌ای و کشیدگی مناسب برای میزبانی از چنین مأموریتی را خواهد داشت.

اما علاوه بر مؤلفه‌های مداری، برخی مؤلفه‌های فیزیکی هم در انتخاب بنو به‌عنوان مقصد این مأموریتْ نقش‌آفرین بودند. سیارک‌هایی با قطر متوسط کمتر از ۲۰۰ متر، سریع‌تر از آنکه قادر به حفظ غشای غبارین سطح‌شان باشند، به دور خود می‌چرخند (این غشای غبارین اصطلاحاً «سنگ‌پوش» یا رگولیت خوانده می‌شود، و محصول فرسایش بلندمدت خاک اجرام فاقد جو، در نتیجه برخوردهای مداوم میکروشهابسنگی است). لذا سیارک‌های مطلوبی که به فضاپیما امکان نمونه‌‌برداری ایمن از سطح‌شان را بدهند، قطری بیشتر از متوسط ۲۰۰ متر دارند. و از بین ۱۹۲ سیارک مطلوب فوق، تنها ۲۶ موردشان در این شرط می‌گنجند.

دیگر مؤلفه فیزیکی تعیین‌کننده، ترکیبات سازنده سیارک است. حساس‌ترین سیارک‌ها به تحولات محیطی، سیارک‌های کربنی‌اند؛ و این یعنی چنانچه امروزه سیارکی از این نوع یافت بشود، مسلّماً از زمان تشکیل‌اش (در حدود ۴ میلیارد سال پیش) تاکنون، بکر و دست‌نخورده مانده است. ماهیت کربنی ترکیبات این اجرام، از آن‌ها میزبانان محتملی برای مولکول‌های ارگانیک، مواد فرّار، و آمینو اسیدهایی که احتمالاً بذر حیات را در زمین پراکندند هم ساخته است. از بین ۲۶ سیارک باقیمانده در فهرست‌مان، ترکیب ۱۲ موردشان تعیین شده است؛ و از این بین هم ۵ سیارکْ ماهیت کربنی دارند.

پررنگ‌ترین دلیل انتخاب بنو از بین ۵ گزینه باقیمانده، مدار «خطرناک» این NEO است، که هر شش سال یک‌بار آن را تا فاصله سیصدهزار کیلومتری زمین نزدیک می‌کند؛ به‌طوریکه تخمین زده می‌شود احتمال برخورد آن به زمین در ربع آخر قرن بیست و دوم، ۱ به ۲۷۰۰ باشد. اما چنین برآوردهایی، از دقت کافی برخوردار نیستند؛ چراکه در خصوص سیارک‌های نسبتاً کوچک، علاوه بر مؤلفه‌های مداری، الگونمایی تأثیر پدیده‌ای موسوم به «شتاب یارکوفسکی» هم برای پیش‌بینی موقعیت مداری‌شان ضرورت دارد.

شتاب یارکوفسکی به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که در جریان آن، سرعت جابجایی یک جرم کوچک، چرخان، و نامتقارن (از مرتبه قطر متوسط ۱۰ سانتیمتر تا ۱۰ کیلومتر)، در نتیجه گسیل نامتقارن امواج گرمایی از سطح آن، به طرز محسوسی دستخوش تغییر می‌شود. تأثیر لحظه‌ای این شتاب بسیار ناچیز است؛ اما به مرور زمان، بر شدّت آن افزوده می‌شود. و از اهداف اصلی مأموریت اوزیریس-رکس هم تعیین توپوگرافی دقیق سیارک بنو است، تا بدین‌وسیله برآورد واقع‌گرایانه‌تری از تأثیر شتاب یارکوفسکی بر موقعیت مداری آن حاصل بشود؛ برآوردی که علاوه بر ارزش علمی آن، به دلیل مدار «خطرناک» بنو، مصارف عملی قابل توجّهی هم در آینده خواهد داشت.

بنو تا پیش از برنامه‌ریزی مأموریت اوزیریس-رکس، با نام رسمی  ۱۹۹۹ RQ₃₆ شناخته می‌شد. اما در جریان یک نظرسنجی عمومی، نام‌ آن به پیشنهاد مایکل پوزیو (دانش‌آموز ۹ساله آمریکایی)، به «بنو» تغییر یافت. بنو، نام ایزد موکّل بر آفتاب، آفرینش، و نوزایی در اساطیر مصر باستان است، که به هیأت یک حواصیل نشان داده می‌شود. و شکل ظاهری فضاپیمای اوزیریس-رکس هم (با پنل‌های خورشیدی Y-مانندی که شکل دو بال گشوده را تداعی می‌کنند، آنتن دوربرد و منقارمانند واقع در پیشانی فضاپیما، و ابزار نمونه‌‌برداری باریک و بلند و مفصل‌داری که به پای حواصیل شباهت‌دارد)، پوزیو را به پیشنهاد نام «بنو» برای این سیارک واداشت. (نام «اوزیریس» نیز در اساطیر مصر باستان دلالت بر ایزد موکّل بر جهان زیرین و حیات پس از مرگ دارد؛ که به‌واسطه ماهیت تهدیدآمیز سیارک بنو برای زمین، بر این مأموریت اطلاق شده است).

مأموریت: دورسنجی و نمونه‌‌برداری

اوزیریس‌-رکس، سومین مأموریتی است که در چارچوب «برنامه آستانه‌های نوین» (New Frontiers Program) ناسا به فضا پرتاب می‌شود. این برنامه به تعریف مأموریت‌هایی اختصاص یافته که نه با هزینه‌ها و زمان‌بندی مأموریت‌های ریزمقیاس عملی‌اند، و نه دوشادوش مأموریت‌های بزرگ‌مقیاس این سازمان قرار می‌گیرند. پیش‌تر، دو مأموریت بین‌سیاره‌ای دیگر هم در چارچوب سیاست‌های این برنامه‌ی میان‌مقیاس به فضا اعزام شده‌ بودند: «افق‌های نو»، که در اوایل تابستان ۲۰۱۵ از کنار پلوتو گذشت .

اوزیریس-رکس به شش بسته‌ابزار علمی مجهز است، که ابزار نمونه‌برداری فقط یکی از آن‌ها به شمار می‌رود. از سه دوربین مستقر بر این فضاپیما، یکی به تهیه تصاویر دقیق و تلسکوپی از سطح سیارک بنو اختصاص دارد؛ یکی به نقشه‌برداری کلّی از سیارک در چهار رنگ مجزا برای کمک به تعیین محل نمونه‌برداری؛ و یکی هم به تصویربرداری لحظه‌ای از فرآیند نمونه‌برداری. از چهار مجموعه‌ابزار باقیمانده هم سه بسته به طیف‌سنجی از سطح سیارک اختصاص یافته است: طیف‌سنجی در طول موج‌های مرئی، فروسرخ، و ایکس، که رویهمرفته به تعیین کانی‌های سازنده و ترکیبات پراکنده این سیارک، و همچنین بررسی مصداقی از نقاط احتمالی نمونه‌برداری خواهند پرداخت. و تنها ابزار باقیمانده هم یک نقشه‌بردار لیزری جهت تعیین توپوگرافی دقیق سیارک است.

در این بین، ابزار نمونه‌برداری اوزیریس-رکس از یک فناوری نوظهور بهره می‌گیرد: «مکانیسم نمونه‌برداری بزن و در-رو» یا اختصاراً TAGSAM. در این فرآیند، ابتدا فضاپیما با سرعت تقریبی ۲ متر بر ثانیه به سطح سیارک نزدیک می‌شود، و در شعاع ۲۵ متری محل تعیین‌شده، با آن تماس پیدا می‌کند. (به دلیل همین نزدیکی است که پنل‌های خورشیدی تأمین انرژی فضاپیما به‌منظور پرهیز از غبارگیری و اُفت انرژی، به حالت Y-شکل درخواهند آمد).

با تماس فضاپیما به سطح، دوربین‌ها شروع به بررسی محیط پیرامون خود می‌کنند، و پس از تأیید نهایی نقطه نمونه‌برداری، یک ابزار تولید باد نیتروژنی، ذرات ریزتر از ۲ سانتیمتری که در غشای سنگ‌پوش سطح سیارک واقع شده را به شکل یک توده‌ غبار به سمت رأس بازوی روباتیک سامانه TAGSAM پخش می‌کند. ظرف مدّت تنها ۵ ثانیه، صفحات نمونه‌برداریْ اقدام به جمع‌آوری این توده خواهند کرد، و با تغییرات ایجادشده در اینرسی فضاپیما، می‌توان متوجه شد که چه مقدار از این توده عملاً جمع‌آوری شده است. چنانچه این مقدارْ رضایت‌بخش ارزیابی نشود (که یعنی کمتر از آن ۶۰ گرمْ مقدار هدف باشد)، تفنگ نیتروژنیْ امکان دو دفعه فعالیت دیگر را هم خواهد داشت، و لذا به فضاپیما دو فرصت دیگر برای نمونه‌برداری داده خواهد شد.

اوزیریس-رکس رویهمرفته ظرفیت جمع‌آوری حداکثر ۲ کیلوگرم نمونه را دارد؛ که بخشی از آنها (به ابعادی ریزتر از ۱ میلیمتر) به صورت انفعالی، توسط صفحات فلزی مستقر بر کلاهک ابزار نمونه‌برداری جذب می‌شوند. با اتمام عملیات، نمونه‌ها به کپسول ویژه حمل‌شان منتقل، و در آنجا مُهر و موم خواهند شد.

عملیات نمونه‌برداری در انتهای مأموریت ۵۰۵روزه فضاپیما در مدار سیارک رقم خواهد خورد؛ مداری با ارتفاع متوسط ۵ کیلومتر از سطح سیارک. در این مرحله، اوزیریس-رکس اقدام به نقشه‌برداری و تعیین محل نمونه‌برداری می‌کند. پس از اتمام نمونه‌برداری در ژوئیه ۲۰۲۰، فضاپیما کپسول حاوی نمونه‌ها را طی کمتر از یک سال بعد، در سپتامبر ۲۰۲۳، به سمت جو زمین رها خواهد کرد، و چنانچه مشکلی بروز نکند (اعم از نقص عملکرد چتر نجات، که در جریان فرود محموله نمونه‌برداری فضاپیمای جنسیس در سپتامبر ۲۰۰۴، منجر به سقوط آزاد و انهدام محموله شد)، در مرکز آزمایشات و آموزش هوانوردی یوتا، واقع در صحرای یوتا، فرود خواهد آمد.

مأموریت اوزیریس-رکس، پیش‌قراولی برای تحقق رؤیای معدن‌کاوی سیارک‌ها جهت فرآوری کانی‌ها و فلزّات نادر، و حتی تأمین مایحتاج سوختی مأموریت‌های بلندمدت فضایی خواهد بود؛ رؤیایی که از هم‌اینک در دستور کار سازمان‌های فضایی و شرکت‌های خصوصی قرار دارد.