Johannes Kepler megrökönyödne

Felejtse el, amit a Kepler-törvényekről tudott! Az ESA animációján követheti, hogyan mozgott a Rosetta űrszonda az elmúlt két évben a Csurjumov–Geraszimenko-üstökös magja körül.

Az animáció 2014. július 31-én kezdődik, amikor a Rosetta az üstökös megközelítésének végső szakaszában járva egyre közeledett az égitest magjához. Mint emlékezetes, 2014. augusztus 6-án érte el a bűvös 100 km-es határt, ezért a kerek számokhoz ösztönösen vonzódó kommunikációs szakemberek ezt a pillanatot kiáltották ki az „Érkezés” napjának. A mindenkori dátum a jobb felső sarokban látható, alatta a szonda pillanatnyi távolsága az üstökös magjától. A bal alsó sarokban a nyíl viszont a Nap irányát mutatja. A fontosabb eseményeket a keretes feliratok jelzik. Az animáció a valóságos adatokon alapul, tehát a Rosetta tényleges mozgását mutatja.

Az ESA animációja a Rosetta szonda mozgásáról a Csurjumov–Geraszimenko-üstökös magja körül 2014 és 2016 nyara között. (Forrás: ESA)

A Rosetta eleinte háromszög alakú „pályákon” „keringett”, természetesen ez a klasszikus égi mechanika értelmében sem pályának, sem keringésnek nem volt tekinthető, hiszen a háromszög csúcsainál a hajtóművel kicsit segíteni kellett bevenni a kanyart. Ez volt az az izgalmas időszak, amikor feltérképezték a mag felszínét, hogy megfelelő leszállóhelyet találjanak a Philae számára. Látható, hogy szeptemberben, ahogy a szonda közeledik az üstököshöz, a háromszögek csúcsai lekerekednek, a pálya egyre inkább kezd emlékeztetni az ellipszisre. Vegyük észre, hogy ekkor a szonda már 20 km-nél közelebb volt a maghoz.

Október végén (az animáció 30. másodpercétől) a szonda távolodik: megkezdődött a leszállás előkészítése. Ekkor (a 35–40. másodperc környékén) egész különös manővereket látunk, a Philae november 12-i leszállása után azonban a szonda mozgását a tudományos kutatáshoz legmegfelelőbbnek tartott 30 km körüli távolságban stabilizálták (science orbits).

2015. februárjában (a filmen 1:00-tól) ismét hajmeresztő manőverek kezdődnek. Februárban és márciusban a szonda többször is „nekifutásból” elrepült a mag mellett (flyby), az egyik közben biztonsági üzemmódba kapcsolta magát. Ez figyelmeztető jel volt, miszerint a 2015. augusztusi perihélium-átmenet felé közeledve erősödik az üstökös aktivitása. Éppen ezért a Rosetta kissé hátrált, és a mag legaktívabb időszakát néhány hónapon keresztül tisztes távolságból (>100 km) követte (move to safer distance, 1:17 után). Ebben a távolságban a pálya ismét „szögletes”, a hajtómű segítségével végrehajtott kanyarokkal. Az animáción 1:40–1:50 között a szonda ide-oda cirkál, ekkor történt néhány sikeres és több sikertelen újbóli kapcsolatfelvétel a Philae-vel.

Ezt követően tovább távolodott (300–400 km), sőt október elején (2:05-től) az üstökös Nap felőli oldalán egy távoli kiruccanást tett, ekkor a magtól 1500 km távolságban is körülnézett. Ezt követően az üstökösmag perihélium utáni csökkenő aktivitásának köszönhetően a Rosetta újra közelebb merészkedhetett a maghoz. 2016 elején távolsága már 100 km alá csökkent, de a pályák még mindig szögletesek. A pálya csak akkor válik „simává” (elliptikussá), amikor március elején a szonda távolsága 30 km alá csökken (2:50-től). Március–április fordulóján ismét egy távolabbi kiruccanás szemtanúi lehetünk, ekkor azonban az „éjszakai”, vagyis a Nappal ellentétes oldalon. Májusban már 10 km-nél jobban megközelítette a magot (3:15 körül, close orbits), a keringés pályája szép, szabályos ellipszis, ahogy azt a Kepler-törvények előírják. Az animáció augusztus 9-én ér véget. A küldetés végső, szeptember 30-ig tartó szakaszáról korábbi cikkünkben olvashatnak.

A filmen látható, meghökkentő mozgás kapcsán érdemes röviden kitérni ennek okára, vagyis arra, miért csak néha követte a Rosetta a Kepler-törvények által előírt útvonalat. Ez az égitestek úgynevezett „gravitációs szféráival” áll kapcsolatban (vonzási szféra, hatásszféra, Hill-szféra és befolyásolási szféra). Ezek értelmezését illetően dr. Szabó József hivatkozott cikkére, illetve az angol (és néhány más nyelvű) Wikipédia cikkére utalunk. Az ott szereplő összefüggések alapján, az üstökösmag tömege ismeretében megbecsülhető a Csurjumov–Geraszimenko-üstökös magja gravitációs szféráinak mérete. (Számításról nem beszélhetünk, hiszen a hivatkozott képletek is csak közelítések, a helyzetet pedig tovább rontja az üstökösmag nagyon szabálytalan – a gömbszimmetrikustól drasztikusan eltérő – gravitációs tere.) Eszerint az üstökösmag hatásszférája kb. 40 km-nek (vagy mondjuk inkább néhányszor tíz km-nek) adódik. Ezt a film látványosan igazolja: megfigyelhető, hogy 30 km körüli és annál kisebb távolságban a pályák ellipszis alakúak, 100 km körüli távolságban viszont már a mag gravitációja gyenge ahhoz, hogy pályán tartsa a szondát, ilyenkor kell a kanyarokban a hajtóműves rásegítés. Miért csak a Rosetta esetében vált ez a viselkedés ennyire szembeötlővé? Nos, azért, mert egyéb űreszközeink messze az adott égitestek hatásszféráin belül keringenek, csak az üstökösmag rendkívül kis tömege miatt fordult elő, hogy a Rosetta a gravitációs szférák határán kóborolt, hol azokon kívül maradt, hol pedig belülre került.

Néhány égitest Hill-szférájának mérete km-ben. A hatásszféra ennél kisebb, de az űreszközök jóval mindkettőn belül keringnek. (Kép: Wikipedia)

A Rosetta küldetése szeptember végén befejeződik, a kedélyek megnyugodhatnak. Űreszközeink legtöbbje továbbra is az égitestek Hill-szféráján, sőt a hatásszféráján belül maradva kering, így Johannes Kepler is elégedetten szemlélhetné szabályos, ellipszis alakú pályáikat.

Kapcsolódó cikkek:
Újabb leszállás az üstökösre
Tudomány az üstökösfelszínről
Folytassa, Rosetta!
Egy meglepően változatos üstökös
GYORSHÍR: Megérkezett a Rosetta
Mekkora a Rosetta üstököse?
Már látja a célt a Rosetta

Kapcsolódó linkek:
A Rosetta pályája a Csurjumov–Geraszimenko-üstökös magja körül (ESA videó)
Az előzmények: animáció az üstökös megközelítése (2014. VIII.) és 2014. októbere közötti pályáról
Szabó József: A világűr és fizikai alapjai, Hadmérnök, 2015. IX.
Hatásszféra (Wikipedia)
Hill-szféra (Wikipedia)