Lorsque vous voyagez dans des contrées lointaines, on emballe soigneusement. Ce que vous portez doit être complet mais pas tellement que c'est un fardeau. Et une fois arrivé, vous devez être prêt à faire quelque chose d'extraordinaire pour que le long voyage en vaille la peine.
Le précédent article de Space Magazine "Comment atterrissez-vous sur une comète?" décrit la technique d’atterrissage de Philae sur la comète 67P / Churyumov-Gerasimenko. Mais que fera l'atterrisseur une fois arrivé et installé dans son nouvel environnement? Comme l'a dit Henry David Thoreau, "Il ne vaut pas la peine de faire le tour du monde pour compter les chats à Zanzibar." Il en va de même avec l'atterrisseur Rosetta Philae. Avec la mise en scène - un site d'atterrissage choisi et la date d'atterrissage du 11 novembre, l'atterrisseur Philae est équipé d'un ensemble d'instruments scientifiques soigneusement pensés. Complet et compact, Philae est comme un couteau à outils de l'armée suisse pour entreprendre le premier examen sur place (in situ) d'une comète.
Maintenant, considérons les instruments scientifiques sur Philae qui ont été sélectionnés il y a environ 15 ans. Comme tout bon voyageur, des budgets devaient être fixés, qui fonctionnaient comme des contraintes sur la sélection des instruments qui pouvaient être emballés et transportés pendant le voyage. Il y avait un poids, un volume et une puissance maximum. La masse finale de Philae est de 100 kg (220 lb). Son volume est de 1 × 1 × 0,8 mètre (3,3 × 3,3 × 2,6 pi) de la taille d'une cuisinière à quatre brûleurs. Cependant, Philae doit fonctionner sur une petite quantité d'énergie stockée à l'arrivée: 1000 Watt-Heures (équivalent d'une ampoule de 100 watts fonctionnant pendant 10 heures). Une fois que cette puissance est épuisée, elle produira un maximum de 8 watts d'électricité à partir de panneaux solaires pour être stockés dans une batterie de 130 wattheures.
Sans aucune assurance qu'ils atterriraient fortuitement et produiraient plus d'énergie, les concepteurs de Philae ont fourni une batterie de grande capacité qui est chargée, une seule fois, par les panneaux solaires primaires de l'engin spatial (64 mètres carrés) avant la descente vers la comète. Avec une séquence de commande scientifique initiale à bord de Philae et la puissance de la batterie stockée à partir de Rosetta, Philae ne perdra pas de temps pour commencer l'analyse - un peu comme une analyse médico-légale - pour faire une "dissection" d'une comète. Par la suite, ils utilisent la plus petite batterie qui prendra au moins 16 heures pour se recharger mais permettra à Philae d'étudier 67P / Churyumov-Gerasimenko pendant potentiellement des mois.
Il y a 10 ensembles d'instruments scientifiques sur l'atterrisseur Philae. Les instruments utilisent la lumière absorbée, diffusée et émise, la conductivité électrique, le magnétisme, la chaleur et même l'acoustique pour analyser les propriétés de la comète. Ces propriétés comprennent la structure de la surface (la morphologie et la composition chimique du matériau de surface), la structure intérieure du P67 et le champ magnétique et les plasmas (gaz ionisés) au-dessus de la surface. De plus, Philae a un bras pour un instrument et le corps principal de Philae peut être tourné de 360 degrés autour de son axe Z. Le poteau qui supporte Philae et comprend un amortisseur d'impact.
CIVA et ROLIS systèmes d'imagerie. CIVA représente trois caméras qui partagent du matériel avec ROLIS. CIVA-P (Panoramique), c'est sept caméras identiques, réparties autour du corps de Philae mais avec deux fonctionnant en tandem pour l'imagerie stéréo. Chacun a un champ de vision de 60 degrés et utilise comme détecteur CCD 1024 × 1024. Comme la plupart des gens s'en souviennent, les appareils photo numériques ont progressé rapidement au cours des 15 dernières années. Les imageurs de Philae ont été conçus à la fin des années 1990, près de l'état de l'art, mais aujourd'hui, ils sont dépassés, au moins en nombre de pixels, par la plupart des smartphones. Cependant, outre le matériel, le traitement d'image dans les logiciels a également progressé et les images peuvent être améliorées pour doubler leur résolution.
CIVA-P aura pour tâche immédiate, dans le cadre de la séquence de commandement autonome initiale, de surveiller l'ensemble du site d'atterrissage. Il est essentiel au déploiement d'autres instruments. Il utilisera également la rotation de l'axe Z du corps de Philae pour effectuer le levé. CIVA-M / V est un imageur microscopique à 3 couleurs (résolution de 7 microns) et CIVA-M / I est un spectromètre proche infrarouge (plage de longueurs d'onde de 1 à 4 microns) qui inspectera chacun des échantillons livrés à les fours COSAC & PTOLEMY avant le chauffage des échantillons.
ROLIS est une caméra unique, également dotée d'un détecteur CCD 1024 × 1024, dont le rôle principal est de surveiller le site d'atterrissage pendant la phase de descente. L'appareil photo est fixe et orienté vers le bas avec un objectif réglable de mise au point f / 5 (rapport f) avec un champ de vision de 57 degrés. Pendant la descente, il est réglé à l'infini et prendra des images toutes les 5 secondes. Son électronique compressera les données pour minimiser le total des données qui doivent être stockées et transmises à Rosetta. La mise au point sera ajustée juste avant le toucher des roues, mais par la suite, la caméra fonctionne en mode macro pour surveiller spectroscopiquement la comète immédiatement sous Philae. La rotation du corps de Philae créera un «cercle de travail» pour ROLIS.
La conception multi-rôles de ROLIS montre clairement comment les scientifiques et les ingénieurs ont travaillé ensemble pour réduire globalement le poids, le volume et la consommation d'énergie, et rendre Philae possible et, avec Rosetta, s'adapter aux limites de la charge utile du lanceur, aux limitations de puissance du solaire piles et batteries, limitations du système de commande et de données et émetteurs radio.
APXS. C'est un Spectromètre à rayons X Alpha Proton. Il s’agit d’un instrument quasi indispensable du couteau suisse du scientifique spatial. Les spectromètres APXS sont devenus un élément commun à toutes les missions Mars Rover et Philae est une version améliorée de Mars Pathfinder. L'héritage de la conception APXS est les premières expériences d'Ernest Rutherford et d'autres qui ont conduit à découvrir la structure de l'atome et la nature quantique de la lumière et de la matière.
Cet instrument possède une petite source d'émission de particules alpha (Curium 244) essentielle à son fonctionnement. Les principes de la rétrodiffusion Rutherford des particules Alpha sont utilisés pour détecter la présence d'éléments plus légers tels que l'hydrogène ou le béryllium (ceux proches d'une particule Alpha en masse, un noyau d'hélium). La masse de ces particules élémentaires plus légères absorbera une quantité mesurable d'énergie de la particule Alpha lors d'une collision élastique; comme cela se produit dans la rétrodiffusion de Rutherford près de 180 degrés. Cependant, certaines particules alpha sont absorbées plutôt que réfléchies par les noyaux du matériau. L'absorption d'une particule Alpha provoque l'émission d'un proton avec une énergie cinétique mesurable qui est également unique à la particule élémentaire dont elle est issue (dans le matériau cométaire); il est utilisé pour détecter des éléments plus lourds tels que le magnésium ou le soufre. Enfin, les électrons de la coque interne dans le matériau d'intérêt peuvent être expulsés par les particules alpha. Lorsque les électrons des enveloppes extérieures remplacent ces électrons perdus, ils émettent un rayon X d'énergie spécifique (quantique) qui est unique à cette particule élémentaire; ainsi, des éléments plus lourds tels que le fer ou le nickel sont détectables. APXS est l'incarnation de la physique des particules du début du 20e siècle.
CONSERVER. Expérience de sondage du noyau COmet par transmission d'ondes radio, comme son nom l'indique, transmettra des ondes radio dans le noyau de la comète. L'orbiteur Rosetta transmet des ondes radio à 90 MHz et simultanément Philae se tient à la surface pour recevoir avec la comète résidant entre eux. Par conséquent, le temps de voyage à travers la comète et l'énergie restante des ondes radio sont une signature du matériau à travers lequel elle s'est propagée. De nombreuses transmissions et réceptions radio par CONSERT sous une multitude d'angles seront nécessaires pour déterminer la structure intérieure de la comète. C'est semblable à la façon dont on peut sentir la forme d'un objet sombre se tenant devant vous en se déplaçant la tête à gauche et à droite pour regarder comment la silhouette change; dans l'ensemble, votre cerveau perçoit la forme de l'objet. Avec les données CONSERT, un processus de déconvolution complexe utilisant des ordinateurs est nécessaire. La précision avec laquelle l'intérieur de la comète est connu s'améliore avec plus de mesures.
MUPUS. Capteur polyvalent pour la science des surfaces et du sous-sol est une suite de détecteurs pour mesurer le bilan énergétique, les propriétés thermiques et mécaniques de la surface et du sous-sol de la comète jusqu'à une profondeur de 30 cm (1 pied). Le MUPUS comprend trois parties principales. Il y a le PEN qui est le tube de pénétration. Le PEN est fixé à un bras marteleur qui s'étend jusqu'à 1,2 mètre du corps. Il se déploie avec une force descendante suffisante pour pénétrer et enterrer le PEN sous la surface; plusieurs coups de marteau sont possibles. À la pointe, ou l'ancre, du PEN (le tube de pénétration) se trouve un accéléromètre et un PT100 standard (Platinum Resistance Thermometer). Ensemble, les capteurs d'ancragedéterminer le profil de dureté au site d'atterrissage et la diffusivité thermique à la profondeur finale [ref]. Lorsqu'elle pénètre dans les surfaces, une décélération plus ou moins indique un matériau plus dur ou plus mou. Le PEN comprend un réseau de 16 détecteurs thermiques sur toute sa longueur pour mesurer les températures souterraines et la conductivité thermique. Le PEN dispose également d'une source de chaleur pour transmettre la chaleur au matériau cométaire et mesurer sa dynamique thermique. Avec la source de chaleur éteinte, les détecteurs du PEN surveilleront la température et l'équilibre énergétique de la comète lorsqu'elle s'approche du Soleil et se réchauffe. La deuxième partie est le MUPUS TM, un radiomètre au sommet du PEN qui mesurera la dynamique thermique de la surface. TM se compose de quatre capteurs thermopile avec des filtres optiques pour couvrir une plage de longueurs d'onde de 6-25 µm.
SD2 Le dispositif de forage et de distribution d'échantillons pénètrera la surface et le sous-sol jusqu'à une profondeur de 20 cm. Chaque échantillon récupéré aura un volume de quelques millimètres cubes et sera distribué dans 26 fours montés sur un carrousel. Les fours chauffent l'échantillon, ce qui crée un gaz qui est délivré aux chromatographes en phase gazeuse et aux spectromètres de masse que sont la COSAC et la PTOLEMY. Les observations et l'analyse des données APXS et ROLIS seront utilisées pour déterminer les emplacements d'échantillonnage qui seront tous sur un «cercle de travail» à partir de la rotation du corps de Philae autour de son axe Z.
COSAC Échantillonnage et composition cométaires expérience. Le premier chromatographe en phase gazeuse (GC) que j'ai vu était dans un laboratoire universitaire et était utilisé par le directeur du laboratoire pour des tests médico-légaux à l'appui du service de police local. L'intention de Philae n'est rien de moins que d'effectuer des tests médico-légaux sur une comète à des centaines de millions de kilomètres de la Terre. Philae est en fait le verre d'espionnage de Sherlock Holmes et Sherlock est tous les chercheurs de retour sur Terre. Le chromatographe en phase gazeuse de la COSAC comprend un spectromètre de masse et mesurera les quantités d'éléments et de molécules, en particulier les molécules organiques complexes, constituant le matériau de la comète. Alors que ce premier GC de laboratoire que j'ai vu était plus proche de la taille de Philae, les deux GC de Philae ont à peu près la taille des boîtes à chaussures.
PTOLÉMÉE. Un analyseur de gaz évolué [réf], un autre type de chromatographe en phase gazeuse. Le but de Ptolémée est de mesurer les quantités d'isotopes spécifiques pour dériver les rapports isotopiques, par exemple, 2 parties d'isotope C12 pour une partie C13. Par définition, les isotopes d'un élément ont le même nombre de protons mais différents nombres de neutrons dans leurs noyaux. Un exemple est les 3 isotopes du carbone, C12, C13 et C14; les nombres étant le nombre de neutrons. Certains isotopes sont stables tandis que d'autres peuvent être instables - radioactifs et se désintègrent en formes stables du même élément ou en d'autres éléments. Ce qui intéresse les enquêteurs de Ptolémée, c'est le rapport des isotopes stables (naturels et non ceux affectés par, ou résultant de la désintégration radioactive) pour les éléments H, C, N, O et S, mais particulièrement le carbone. Les ratios seront des indicateurs révélateurs de l'endroit et de la façon dont les comètes sont créées. Jusqu'à présent, les mesures spectroscopiques des comètes pour déterminer les rapports isotopiques se faisaient à distance et la précision était insuffisante pour tirer des conclusions définitives sur l'origine des comètes et comment les comètes sont liées à la création de planètes et à l'évolution de la nébuleuse solaire, la berceau de notre système planétaire entourant le Soleil, notre étoile. Un analyseur de gaz évolué chauffera un échantillon (~ 1000 C) pour transformer les matériaux en un état gazeux qu'un spectromètre peut mesurer très précisément les quantités. Un instrument similaire, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer) était un instrument sur l'atterrisseur Mars Phoenix.
SÉSAME Expérience de sondage électrique de surface et de surveillance acoustiqueCet instrument implique trois détecteurs uniques. Le premier est le SESAME / CASSE, le détecteur acoustique. Chaque pied d'atterrissage de Philae a des émetteurs et des récepteurs acoustiques. Chacune des jambes transmettra à tour de rôle des ondes acoustiques (de 100 Hertz à KiloHertz) dans la comète que les capteurs des autres jambes mesureront. La façon dont cette onde est atténuée, c'est-à-dire affaiblie et transformée par le matériau cométaire qu'elle traverse, peut être utilisée avec d'autres propriétés cométaires obtenues à partir des instruments Philae, pour déterminer les variations quotidiennes et saisonnières de la structure de la comète jusqu'à une profondeur d'environ 2 mètres. En outre, dans un mode passif (écoute), CASSE surveillera les ondes sonores des grincements, des gémissements à l'intérieur de la comète causés potentiellement par les contraintes du chauffage solaire et des gaz de ventilation.
Vient ensuite le détecteur SESAME / PP - la sonde de permittivité. La permittivité est la mesure de la résistance d'un matériau aux champs électriques. SESAME / PP fournira un champ électrique oscillant (onde sinusoïdale) dans la comète. Les pieds de Philae portent les récepteurs - des électrodes et des générateurs de sinus AC pour émettre le champ électrique. La résistance du matériau cométaire à une profondeur d'environ 2 mètres est ainsi mesurée, fournissant une autre propriété essentielle de la comète - la permittivité.
Le troisième détecteur est appelé SESAME / DIM. Ceci est le compteur de poussière de comète. Plusieurs références ont été utilisées pour compiler ces descriptions d'instruments. Pour cet instrument, il y a, ce que j'appellerais, une belle description que je citerai simplement ici en référence. «Le cube Dust Impact Monitor (DIM) au-dessus du balcon Lander est un capteur de poussière avec trois capteurs piézoélectriques orthogonaux (50 × 16) mm actifs. A partir de la mesure de la tension de crête transitoire et de la demi-durée de contact, les vitesses et les rayons des particules de poussière impactantes peuvent être calculés. Les particules avec des rayons d'environ 0,5 µm à 3 mm et des vitesses de 0,025 à 0,25 m / s peuvent être mesurées. Si le bruit de fond est très élevé ou si le taux et / ou les amplitudes du signal de rafale sont trop élevés, le système passe automatiquement en mode dit continu moyen; c'est-à-dire que seul le signal moyen sera obtenu, donnant une mesure du flux de poussière. » [ref]
ROMAP Magnétomètre et plasma Rosetta Lander le détecteur comprend également un troisième détecteur, un capteur de pression. Plusieurs vaisseaux spatiaux ont volé par des comètes et un champ magnétique intrinsèque, celui créé par le noyau de la comète (le corps principal) n'a jamais été détecté. S'il existe un champ magnétique intrinsèque, il est susceptible d'être très faible et un atterrissage en surface serait nécessaire. En trouver un serait extraordinaire et renverserait les théories concernant les comètes. Low et voici Philae a un magnétomètre à fluxgate.
Le champ magnétique (B) de la Terre qui nous entoure est mesuré dans les 10s de milliers de nano-Teslas (unité SI, milliardième de Tesla). Au-delà du champ terrestre, les planètes, les astéroïdes et les comètes sont tous immergés dans le champ magnétique du Soleil qui, près de la Terre, est mesuré en chiffres uniques, 5 à 10 nano-Tesla. Le détecteur de Philae a une plage de +/- 2000 nanoTesla; une gamme juste au cas où mais facilement offerte par les fluxgates. Il a une sensibilité de 1 / 100e de nanoTesla. Ainsi, l'ESA et Rosetta se sont préparées. Le magnétomètre peut détecter un champ très minime s’il existe. Voyons maintenant le détecteur de plasma.
Une grande partie de la dynamique de l'Univers implique l'interaction de gaz ionisés par plasma (manquant généralement un ou plusieurs électrons portant ainsi une charge électrique positive) avec des champs magnétiques. Les comètes impliquent également de telles interactions et Philae porte un détecteur de plasma pour mesurer l'énergie, la densité et la direction des électrons et des ions chargés positivement. Les comètes actives libèrent essentiellement un gaz neutre dans l'espace ainsi que de petites particules solides (poussières). Le rayonnement ultraviolet du Soleil ionise partiellement le gaz cométaire de la queue de la comète, c'est-à-dire crée un plasma. À une certaine distance du noyau de la comète en fonction de la chaleur et de la densité de ce plasma, il y a une impasse entre le champ magnétique du Soleil et le plasma de la queue. Le champ B du Soleil entoure la queue de la comète un peu comme une feuille blanche drapée sur un truc d'Halloween mais sans trous pour les yeux.
Ainsi, à la surface du P67, le détecteur ROMAP / SPM de Philae, les analyseurs électrostatiques et un capteur Faraday Cup mesureront les électrons et les ions libres dans l'espace pas si vide. Un plasma «froid» entoure la comète; Le SPM détectera l'énergie cinétique ionique dans la gamme de 40 à 8000 électron-volts (eV) et les électrons de 0,35 eV à 4200 eV. Enfin et surtout, le ROMAP comprend un capteur de pression qui peut mesurer une très basse pression - un millionième ou un milliardième ou moins que la pression atmosphérique dont nous jouissons sur Terre. Une jauge Penning Vacuum est utilisée pour ioniser le gaz principalement neutre près de la surface et mesurer le courant généré.
Philae transportera 10 suites d'instruments à la surface de 67P / Churyumov-Gerasimenko, mais au total, les dix représentent 15 types de détecteurs différents. Certains sont interdépendants, c'est-à-dire que pour dériver certaines propriétés, il faut plusieurs ensembles de données. L'atterrissage de Philae sur la surface de la comète fournira les moyens de mesurer de nombreuses propriétés d'une comète pour la première fois et d'autres avec une précision considérablement plus élevée. Au total, les scientifiques se rapprocheront de la compréhension des origines des comètes et de leur contribution à l'évolution du système solaire.
