گريل: ماموريت ناسا براي مطالعه‌ جاذبه ماه

ناسا در سال ۲۰۱۱، دو ماهواره در ابعاد يك ماشين لباسشويي را تحت عنوان مأموريت بازيابي جاذبه و آزمايشگاه داخلي (Gravity Recovery and Interior Laboratory) كه به اختصار گِريل (GRAIL) ناميده مي‌شود، به مدت يك ماه به مدار نزديك ماه فرستاد. به‌خاطر گردش دقيق اين فضاپيما به دور ماه، دانشمندان توانستند نقشه ميدان گرانشي را با بيش‌ترين وضوحي كه تاكنون از يك جسم آسماني ساخته شده است، ايجاد كنند. اين نتايج گنجينه‌اي پنهان از ويژگي‌هاي ماه را با جزييات عالي آشكار كرد.

ماريا زوبر، پژوهشگر اصلي مأموريت گِريل و استاد دانشگاه MIT در جمله‌اي قبل از پرتاب اين فضاپيما گفت:

تلاش براي كشف چگونگي تشكيل ماه و اينكه چگونه خود را در طول تاريخ تكامل داده، يكي از مواردي است كه ما مي‌خواهيم با استفاده از مأموريت گِريل كشف كنيم. علاوه‌بر آن، ما تلاش مي‌كنيم تا دريابيم به‌طور كلي سيارات سنگي چگونه تشكيل شده‌اند.

اين فضاپيما در مدت زمان حضور در مدار ماه، به هر دو هدف دست پيدا كرد.

مأموريت گِريل از دو فضاپيماي مشابه با اندازه‌ي متوسط تشكيل شده بود. تفاوت‌هاي انگشت‌شمار بين اين دو فضاپيما ناشي از اين بود كه يكي از آن‌ها بايد در جلوي ديگري پرواز مي‌كرد. اين فضاپيما وابستگي شديدي به موفقيت فضاپيماي بازيابي جاذبه و آزمايش آب‌وهواي زمين‌پايه (Earth-Based Gravity Recovery and Climate Experiment) داشت كه به اختصار گِريس (GRACE) ناميده مي‌شود؛ فضاپيمايي كه ۹ سال زودتر در سال ۲۰۰۲، براي مأموريتي به‌منظور مطالعه‌ي جاذبه‌ي زمين پرتاب شد. محموله‌ي علمي گِريل يك نمونه ساده‌شده از محموله‌ي گِريس بود و طراحي فضاپيماي جديدتر از ماهواره‌ي آزمايشي كوچك لاكهيد مارتين ۱۱ كه در سال ۲۰۰۵ به فضا پرتاب شد، الهام گرفته شده بود.

ابزار اصلي در دو فضاپيماي گِريل، سيستم دامنه جاذبه ماه (Lunar Gravity Ranging System) يا به اختصار LGRS بود. اين سيستم سيگنال‌هاي راديويي كه فاصله بين دو فضاپيما را با دقت تعريف مي‌كرد، انتقال مي‌داد. اين سيگنال‌ها به فضاپيما اجازه مي‌داد تا نقشه‌ي گرانش سطح ماه را به‌صورت دقيق بكشد.

گِريل همچنين اولين مأموريت سياره‌اي ناسا براي حمل ابزارهايي بود كه كاملاً به يادگيري و توسعه عمومي اختصاص داده شده بود. هر فضاپيما يك دوربين كوچك حمل مي‌كرد كه گِريل مون‌كَم (GRAIL MoonKam) ناميده مي‌شد و تصاوير و ويدئوهايي را از سطح ماه مي‌گرفت.

هزاران دانش‌آموز در پايه‌هاي پنجم تا هشتم، ناحيه‌هاي هدف در سطح ماه را انتخاب مي‌كردند و درخواست خود را به مركز عملياتي مأموريت مون‌كَم در سان‌ديگو مي‌فرستادند. روي‌هم‌رفته، مون‌كَم بيش از ۱۱۵ هزار عكس از سطح ماه گرفت، كه همه‌ي اين عكس‌ها، درخواست دانش‌آموزان راهنمايي در سرتاسر آمريكا بود.

۳/۵ ماه طول كشيد تا اين فضاپيما به ماه برسد؛ چرا كه سفر در مسيري انجام شد كه نياز فضاپيما به سوخت را كاهش و زمان بيش‌تري را براي نظارت بر فضاپيما و جست‌وجوي گاز خارج‌شده از سطح ماه را به دانشمندان مي‌داد. هر دو فضاپيماي گِريل در ۲۰ سپتامبر سال ۲۰۱۱، سوار بر يك موشك دلتا ۲ هوي ساخته‌شده توسط ائتلاف پرتاب و راه‌اندازي، به فضا پرتاب شدند. وزن اين دو فضاپيماها روي‌هم‌رفته معادل ۷۲۵ كيلوگرم بود.

همان‌طور كه در اين تصوير نشان داده شده است، با استفاده از يك تكنيك دقيق شكل‌گيري پرواز، فضاپيماهاي دوقولوي گِريل نقشه گرانش ماه را ترسيم كردند.

گِريل مأموريت اوليه‌ي خود را زودتر از برنامه به اتمام رساند. از يكم مارچ ۲۰۱۲ تا ۲۹ مي همان سال، دو فضاپيما در يك مدار قطبي كم‌ارتفاع ماه كه در فاصله ۵۵ كيلومتري از سطح ماه قرار داشت، در حركت بودند. در طي مأموريت تمديدشده، متوسط ارتفاع مداري ۲۳ كيلومتر بالاتر از سطح ماه بود، كه ماهواره‌ها را در فاصله‌ي ۸ كيلومتري از برخي از عوارض سطحي بلندتر ماه قرار مي‌داد.

جو بيرر، مدير مأموريت گِريل گفت:

من فكر مي‌كنم، اگر جزر و مد پا داشت، با هر بار پرواز بر فراز يك كوه، در عكس‌العملي غيرارادي مي‌خواست پايش را بالا بكِشد.

اين جفت فضاپيما بين ۲۹ مي تا ۳۰ اوت ۲۰۱۲، براي دوري از ماه‌گرفتگي پيش‌بيني‌شده‌ي چهارم ژوئيه آن سال، وقتي‌كه يك مدار اصلاح‌شده آن‌ها را از جمع‌آوري انرژي خورشيدي بازمي‌داشت، خاموش شدند و استراحت مختصري كردند.

ديويد لِمن، مدير پروژه گِريل از آزمايشگاه نيرومحركه‌ي موشكي ناسا گفت:

قبل از پرتاب، ما برنامه‌ريزي براي انجام تمام مأموريت‌هاي اوليه گِريل بين ماه‌گرفتگي‌ها را انجام داده بوديم.

مأموريت تمديدشده‌ي گِريل از ۳۰ اوت تا ۱۷ دسامبر ۲۰۱۲، وقتي‌كه فضاپيما عمداً به سطح ماه برخورد كرد، انجام شد.

اهداف اصلي مأموريت گِريل تعيين ساختار داخلي ماه از پوسته به هسته و فهم بيشتر از تاريخچه‌ي حرارتي ماه بود. براي رسيدن به اين اهداف، فضاپيماي دوقلو يك نقشه‌ي ميدان گرانشي با وضوح فوق‌الاده بالا از سطح ماه طراحي كرد.

همان‌طور كه جزر و مد در مناطق با گرانش بيشتر يا كم‌تر ناشي از ويژگي‌هاي قابل مشاهده و پنهان سفر مي‌كرد، فاصله‌ي بين دو فضاپيما تا حد بسيار كمي تغيير يافت (در حدود يك‌دهم ميكرون يا به اندازه نصف يك گلبول قرمز).

ناسا در اين‌باره گفت:

دوقلوهاي گِريل مي‌توانند تغييري تا اندازه نصف يك موي انسان را در موقعيت خود تشخيص دهند.

اين تغييرات علاوه‌بر تأثيرات گرانشي كوه‌ها و دهانه‌هاي آتشفشان‌ها، تأثيرات چگالي‌هاي جرمي را نيز نشان مي‌دهد. چگالي جرمي، ناحيه‌هايي از يك سياره يا پوسته‌ي ماه هستند كه دربردارنده‌ي ناهنجاري‌هاي مثبت گرانشي بيش از حد هستند، كه حضور جرم اضافي در ناحيه را نشان مي‌دهند. منشأ چگالي جرمي از زمان اكتشاف آن‌ها در سال ۱۹۶۸ يك راز بوده است، اگرچه پژوهشگران عموماً معتقدند كه اين توده‌ها نتيجه‌ي تأثيرات باستاني ميلياردها سال پيش هستند. اين تغييرات دقيق موقعيت به فضاپيما اجازه مي‌دهد تا يك نقشه‌ي عميق از چگونگي تغييرات كشش گرانشي ماه در هنگام حركت آن‌ها روي سطح ماه ايجاد كنند.

جِي مِلوش، همكار پژوهشي گِريل در دانشگاه پوردو گفت:

 اطلاعات گِريل تأييد مي‌كند كه چگالي‌هاي جرمي ماه وقتي ايجاد شدند كه سيارك‌هاي بزرگ يا ستاره‌هاي دنباله‌دار در زماني‌كه درون ماه بسيار جديد‌تر از اكنون بود، بر ماه باستاني تأثير گذاشتند.

نقشه‌ي كشيده‌شده توسط گِريل همچنين فراواني ويژگي‌هايي كه هرگز با جزييات ديده نشده بودند مانند ساختارهاي تكتونيكي، شكل زمين‌هاي آتش‌فشاني، حلقه‌هاي حوضه‌اي، قله‌هاي مركزي دهانه‌ها و چندين دهانه ساده و كاسه‌شكل را آشكار كرد.

ناسا گفت:

 گِريل همچنين نشان داد كه ميدان گرانشي ماه برخلاف هر سياره‌ي سنگي در منظومه شمسي است.

زوبر گفت:

چيزي كه اين نقشه به ما مي‌گويد اين است كه، بيش از هر جسم آسماني ديگري كه ما درباره‌اش مي‌دانيم، ماه ميدان گرانشي خود را روي آستين‌اش مي‌پوشد. وقتي ما يك تغيير قابل‌توجه در ميدان گرانشي ماه مي‌بينيم، مي‌توانيم اين تغيير را با ويژگي‌هاي توپوگرافي سطح ماه مانند، دهانه‌ها، كوه‌ها و ريل‌ها همگام‌سازي كنيم.

طبق گفته‌هاي زوبر، ميدان گرانشي ماه همچون سندي از طوفان برخوردهايي عمل مي‌كند كه يك‌باره تمام پيكره‌ي سياره‌ي سنگي سياره را بمباران كرد. همچنين اين ميدان شواهدي را مبني بر شكستن سطح داخلي ماه كه به عمق پوسته و احتمالاً گوشته گسترش مي‌يابد، نشان مي‌دهد.

نقشه‌ي توپوگرافي‌ منطقه‌ي برخوردي گريل برگرفته از دوربين مدارگرد شناسايي ماه. اين نقشه ۸۴۰۰ متر پهنا دارد و شمال بالا است. اين عكس در ۱۹ مارچ ۲۰۱۳ گرفته شده است.

جزر و مد نشان داد كه چگالي پوسته كوهستاني ماه به‌طرز قابل توجهي كم‌تر از مقداري است كه فرض شده بود، كه با داده‌هاي به‌دست‌آمده در مأموريت‌هاي انتهايي آپولو در اوايل دهه ۷۰ ميلادي، مطابقت مي‌كند. اين نشان مي‌دهد نمونه‌ سنگ‌هايي كه فضانوردان آپولو از ماه به زمين آوردند، مشخصه‌هاي فرآيندهاي سرتاسري و نه منطقه‌اي را دارند.

گِريل همچنين كشف كرد كه ضخامت متوسط پوسته ماه در حدود ۱۰ تا ۲۰ كيلومتر كم‌‌تر از مقداري است كه قبلاً تصور مي‌شد. درواقع اين ضخامت عددي بين ۳۴ تا ۴۳ كيلومتر است.

مارك ويكزورِگ، همكار پژوهشي گِريل در مؤسسه جهاني فيزيك پاريس در اين‌باره گفت:

با اين ضخامت پوسته، تركيب فشرده‌ي ماه مشابه زمين است. اين موضوع از مدل‌هايي كه ادعا داشتند ماه ريشه‌گرفته از مواد زميني است كه در طي يك رويداد تأثيرگذار عظيم در اوايل تاريخ منظومه شمسي بيرون رانده شده، همراهي مي‌كند.

گريل همچنين منشأ يك طرح ناهموار از سطح ماه را كه به‌عنوان اقيانوس طوفان‌ها (Ocean of Storms) شناخته مي‌شود، آشكار كرد. تئوري‌هاي اوليه پيشنهاد مي‌دهند كه اين ناحيه از تأثير برخورد يك سيارك ايجاد شده است. بااين‌حال، گِريل شواهدي را پيدا كرد كه اقيانوس طوفان‌ها يك ناحيه‌ي مستطيلي‌شكل به طول ۲۶۰۰ كيلومتر است كه درواقع از تشكيل گسل‎‌دره‌هاي باستاني ايجاد شده است. همان‌طور كه اين‌جا سطح ماه سرد و منقبض مي‌شد، از محيط اطراف خودش دور مي‌شد، در نتيجه باعث ايجاد شكاف‌هايي در مقياس بزرگ مي‌شد كه شبيه به تَرَك هستند كه به محض اينكه در گِل خشك مي‌شدند، شكل مي‌گرفتند.

جف اندروزهانا، همكار پژوهشي مأموريت گِريل در مدرسه‌ي معدن كلرادو در گُلدن واقع در كلرادو، و نويسنده اصلي اين مقاله در اين‌باره گفت:

 الگوي مستطيلي ناهنجاري‌هاي گرانشي كاملاً غيرمنتظره بود. اكنون ما مي‌توانيم واضح و كامل ساختارهايي كه تنها با مشاهدات سطحي به آن‌ها اشاره شده بود را ببينيم.

مأموريت گِريل وقتي كه سوخت دو فضاپيما تمام شد، به پايان رسيد. تيم گِريل تصميم گرفت كه مأموريت اين جفت را با افتخار به پايان برساند، در نتيجه، عمداً آن‌ها را با اميد كشف اطلاعات بيشتر درباره‌ي تركيبات ماه به محض برخورد، با سطح ماه برخورد داد.

اما قبل از برخورد، گِريل يك آزمايش نهايي را كامل كرد. ۵۰ دقيقه قبل از برخورد ۱۷ دسامبر سال ۲۰۱۲، دو فضاپيما موتورهاي خود را تا زمان اتمام  سوختشان روشن كردند، يك مانور براي تعيين دقيق مقدار سوخت باقي‌مانده در مخزن‌هاي دو فضاپيما طراحي شده بود. اين اقدام نهايي براي تأييد مدل‌هاي كامپيوتري به مهندسان ناسا كمك كرد و پيش‌بيني نياز به سوخت را براي مأموريت‌هاي آينده بهبود بخشيد.

از آنجايي‌كه ماه حدود ۳۸۰ هزار كيلومتر دور از زمين است، مشاهده تأثير گِريل روي گازها از زمين چالش‌برانگيز بود. بنابراين، سه هفته قبل از زمان برنامه‌ريزي‌شده براي اين برخورد، پژوهشگران مأموريت گِريل با تيم LRO يا مدارگرد شناسايي ماه ناسا (Lunar Reconnaissance Orbiter) كه آن‎ها نيز در حال مطالعه روي ماه بودند، تماس گرفتند.

اين تيم تلاش كرد تا مدارگرد خود را در مكاني براي مشاهده سقوط آتشين گِريل قرار دهد. وقتي‌كه جزر و مد به سطح برخورد كرد، LRO تنها ۱۶۰ كيلومتر از سطح ماه دور بود. از آنجايي‌كه محل برخورد در سايه بود، اين تيم بايد صبر مي‌كرد كه گازها به اندازه كافي به بالا بروند تا در نور خورشيد قابل رويت باشند. ابزارهاي تيم LRO توانست جيوه و هيدروژن را در اين گازها تشخيص دهد.

فضاپيماهاي دوقولوي گِريل در ۱۷ دسامبر ۲۰۱۲ به ماه برخورد كرد ، تيم LROC توانست دهانه‌هاي محل برخورد را كه هر دو حدود ۵ متر قطر داشتند، در تاريخ ۲۸ فوريه ۲۰۱۳ با تصوير نشان دهد. تصاوير بالا ناحيه را قبل از برخورد  و تصاوير پايين بعد از برخورد  نشان مي‌دهد. فلش ها مكان‌هاي دهانه را نشان مي‌دهند. اين تصاوير در ۱۹ مارچ ۲۰۱۳ منتشر شدند.

مكان‌هايي كه هر دو فضاپيماي جزر و مد در آن‌ها آرميده‌اند، نسبتاً كوچك هستند و تنها به اندازه ۴ الي ۶ متر وسعت دارند. موادي كه در اثر برخورد منفجر شدند، الگوهاي تاريك غير معمولي را در سطح ماه ايجاد كردند.

مارك رابينسون، عضو تيم LRO از دانشگاه ايالتي آريزونا گفت:

دهانه‌هاي محل برخورد جديد در ماه به‌طور معمول روشن هستند، ولي اين دهانه‌ها ممكن است به‌دليل درهم‌ريختگي مواد استفاده‌شده در فضاپيما با مواد بيرون ريخته، تيره باشند.

هردو محل برخورد در جنوبي‌ترين حفره يك كوه ناشناخته قرار دارند و حدود ۲۲۰۰ متر دور از هم هستند. جزر حدود ۳۰ ثانيه قبل از مد به سطح ماه برخورد كرد؛ جايي كه دهانه‌ي برخوردي‌اش را در غرب و شمال جفت ديگرش ايجاد كرد.

مدت كوتاهي پس از سقوط جفت ديگر، دهانه‌هاي ايجادشده توسط آن‌ها به افتخار فضانورد سابق و رهبر تيم گِريل، سالي رايد نام‌گذاري شد كه در ژوئيه سال ۲۰۱۲ در حالي‌كه مأموريت هنوز در جريان بود، از دنيا رفت.

زوبر در اين‌باره گفت:

تمام فكر و ذهن سالي به اتمام رساندن كار بود، چه كاوش در فضا باشد، چه الهام‌بخشي نسل بعدي و كمك به مأموريت گِريل براي رسيدن به موفقيتي كه امروز دارد. ما افتخار مي‌كنيم كه وقتي كه ما مأموريت ماه را كامل كنيم، مي‌توانيم سهم سالي رايد را در اين مأموريت با نام‌گذاري گوشه‌اي از ماه به نام او گرامي بداريم.

در مدت ۱۵ ماهه‌ي اين مأموريت، گِريل دانش ما را درباره‌ي ماه بهبود بخشيد، و توانستيم برخي از قدم‌هاي لازم براي بازگشت انسان به ماه را با اين مأموريت برداريم.

جيم گرين، مدير بخش علوم سياره‌اي، هيئت مديره‌ي مأموريت‌ علمي در واشنگتن گفت:

همان‌طور كه ناسا با تلاش‌هاي اكتشافي رو به جلو حركت مي‌كند، مأموريت‌هاي علمي ماه، نور شناوري است كه ما را به سمت فعاليت‌هاي انساني آينده رهنمود مي‌كند.