ماموریت ناسا برای مطالعه‌ جاذبه ماه

ناسا در سال ۲۰۱۱، دو ماهواره در ابعاد یک ماشین لباسشویی را تحت عنوان مأموریت بازیابی جاذبه و آزمایشگاه داخلی (Gravity Recovery and Interior Laboratory) که به اختصار گِریل (GRAIL) نامیده می‌شود، به مدت یک ماه به مدار نزدیک ماه فرستاد. به‌خاطر گردش دقیق این فضاپیما به دور ماه، دانشمندان توانستند نقشه میدان گرانشی را با بیش‌ترین وضوحی که تاکنون از یک جسم آسمانی ساخته شده است، ایجاد کنند. این نتایج گنجینه‌ای پنهان از ویژگی‌های ماه را با جزییات عالی آشکار کرد.

ماریا زوبر، پژوهشگر اصلی مأموریت گِریل و استاد دانشگاه MIT در جمله‌ای قبل از پرتاب این فضاپیما گفت:

تلاش برای کشف چگونگی تشکیل ماه و اینکه چگونه خود را در طول تاریخ تکامل داده، یکی از چیزهایی است که ما می‌خواهیم با استفاده از مأموریت گِریل آن ‌را کشف کنیم. علاوه‌بر آن، ما تلاش می‌کنیم تا دریابیم که به‌طور کلی سیارات سنگی چگونه تشکیل شده‌اند.

این فضاپیما در مدت زمان حضور در مدار ماه، به هردو هدف دست پیدا کرد.

یک مسیر دقیق

مأموریت گِریل از دو فضاپیمای مشابه با اندازه‌ی متوسط تشکیل شده بود. تفاوت‌های انگشت‌شمار بین این دو فضاپیما ناشی از این بود که یکی از آن‌ها باید در جلوی دیگری پرواز می‌کرد. این فضاپیما وابستگی شدیدی به موفقیت فضاپیمای بازیابی جاذبه و آزمایش آب‌وهوای زمین‌پایه (Earth-Based Gravity Recovery and Climate Experiment) داشت که به اختصار گِریس (GRACE) نامیده می‌شود؛ فضاپیمایی که ۹ سال زودتر در سال ۲۰۰۲، برای مأموریتی به‌منظور مطالعه‌ی جاذبه‌ی زمین، پرتاب شد. محموله‌ی علمی گِریل یک نمونه ساده‌شده از محموله‌ی گِریس بود و طراحی فضاپیمای جدیدتر از ماهواره‌ی آزمایشی کوچک لاکهید مارتین ۱۱ که در سال ۲۰۰۵ به فضا پرتاب شد، الهام گرفته شده بود.

ابزار اصلی در دو فضاپیمای گِریل، سیستم دامنه جاذبه ماه (Lunar Gravity Ranging System) یا به اختصار LGRS بود. این سیستم سیگنال‌های رادیویی که فاصله بین دو فضاپیما را با دقت تعریف می‌کرد، انتقال می‌داد. این سیگنال‌ها به فضاپیما اجازه می‌داد تا نقشه‌ي گرانش سطح ماه را به‌صورت دقیق بکشد.

گِریل همچنین اولین مأموریت سیاره‌ای ناسا برای حمل ابزارهایی بود که کاملاً به آموزش و توسعه عمومی اختصاص داده شده بود. هر فضاپیما یک دوربین کوچک حمل می‌کرد که گِریل مون‌کَم (GRAIL MoonKam) نامیده می‌شد و تصاویر و ویدئوهایی را از سطح ماه می‌گرفت.

هزاران دانش‌آموز در پایه‌های پنجم تا هشتم، ناحیه‌های هدف در سطح ماه را انتخاب می‌کردند و درخواست خود را به مرکز عملیاتی مأموریت مون‌کَم در سان‌دیگو می‌فرستادند. روی‌هم‌رفته، مون‌کَم بیش از ۱۱۵ هزار عکس از سطح ماه گرفت، که همه‌ی این عکس‌ها، درخواست دانش‌آموزان راهنمایی در سرتاسر آمریکا بود.

۳/۵ ماه طول کشید تا این فضاپیما به ماه برسد؛ چرا که سفر در مسیری انجام شد که نیاز فضاپیما به سوخت را کاهش و زمان بیش‌تری را برای نظارت بر فضاپیما و جست‌وجوی گاز خارج‌شده از سطح ماه را به دانشمندان می‌داد. هر دو فضاپیمای گِریل در ۲۰ سپتامبر سال ۲۰۱۱، سوار بر یک موشک دلتا ۲ هوی ساخته شده توسط ائتلاف پرتاب و راه‌اندازی، به فضا پرتاب شدند. وزن این دو فضاپیماها روی هم رفته معادل ۷۲۵ کیلوگرم بود.

فضاپیمای گِریل زیر قطب جنوب ماه، به ماه رسید و سپس در ۳۱ دسامبر سال ۲۰۱۱ به مدار گِریل-آ (GRAIL-A) و در اول ژانویه ۲۰۱۲ به مدار گِریل-ب (GRAIL-B) وارد شد. این مانورها، این جفت فضاپیما را در مدار بیضوی‌شکل تقریباً قطبی قرار دارد که در هر ۱۱/۵ ساعت یک‌بار آن‌ها را به دور ماه می‌چرخاند. اگرچه درنهایت این زمان به زیر ۲ ساعت کاهش یافت. در اواسط ژانویه‌ی ۲۰۱۲، فضاپیمای گِریل توسط یک گروه خلاق از دانش‌آموزان پایه‌ی چهارم در مونتانا نام جدیدی گرفت. «جزر و مد» (Ebb and Flow) عنوان برگزیده در مسابقه‌ی کشوری دانش‌آموزی ناسا برای نام‌گذاری این فضاپیما بود.

گِریل مأموریت اولیه‌ی خود را زودتر از برنامه به اتمام رساند. از یکم مارچ ۲۰۱۲ تا ۲۹ می همان سال، دو فضاپیما در یک مدار قطبی کم‌ارتفاع ماه که در فاصله ۵۵ کیلومتری از سطح ماه قرار داشت، در حرکت بودند. در طی مأموریت تمدیدشده، متوسط ارتفاع مداری ۲۳ کیلومتر بالاتر از سطح ماه بود، که ماهواره‌ها را در فاصله‌ی ۸ کیلومتری از برخی از عوارض سطحی بلندتر ماه قرار می‌داد.

جو بیرر، مدیر مأموریت گِریل گفت:

من فکر می‌کنم، اگر جزر و مد پا داشت، با هر بار پرواز بر فراز یک کوه، در عکس‌العملی غیرارادی می‌خواست پایش را بالا بِکِشد.

این جفت فضاپیما بین ۲۹ می تا ۳۰ اوت ۲۰۱۲، برای دوری از ماه‌گرفتگی پیش‌بینی شده‌ی چهارم ژوئیه آن سال، وقتی‌که یک مدار اصلاح‌شده آن‌ها را از جمع‌آوری انرژی خورشیدی بازمی‌داشت، خاموش شدند و استراحت مختصری کردند.

دیوید لِمن، مدیر پروژه گِریل از آزمایشگاه نیرومحرکه‌ی موشکی ناسا گفت:

قبل از پرتاب، ما برنامه‌ریزی برای انجام تمام مأموریت‌های اولیه گِریل بین ماه‌گرفتگی‌ها را انجام داده بودیم.

مأموریت تمدیدشده‌ی گِریل از ۳۰ اوت تا ۱۷ دسامبر ۲۰۱۲، وقتی‌که فضاپیما عمداً به سطح ماه برخورد کرد، انجام شد.

نقشه‌برداری ماه

اهداف اصلی مأموریت گِریل تعیین ساختار داخلی ماه از پوسته به هسته و فهم بیشتر از تاریخچه‌ی حرارتی ماه بود. برای رسیدن به این اهداف، فضاپیمای دوقلو یک نقشه‌ي میدان گرانشی با وضوح فوق‌الاده بالا از سطح ماه طراحی کرد.

همان‌طور که جزر و مد در مناطق با گرانش بیشتر یا کم‌تر ناشی از ویژگی‌های قابل مشاهده و پنهان سفر می‌کرد، فاصله‌ی بین دو فضاپیما تا حد بسیار کمی تغییر یافت ( در حدود یک دهم میکرون یا به اندازه نصف یک گلبول قرمز).

ناسا در این‌باره گفت:

دوقلوهای گِریل می‌توانند تغییری تا اندازه نصف یک موی انسان را در موقعیت خود تشخیص دهند.

این تغییرات علاوه‌بر تأثیرات گرانشی کوه‌ها و دهانه‌های آتشفشان‌ها، تأثیرات چگالی‌های جرمی را نیز نشان می‌دهد. چگالی جرمی، ناحیه‌هایی از یک سیاره یا پوسته‌ی ماه هستند که دربردارنده‌ی ناهنجاری‌های مثبت گرانشی بیش از حد هستند، که حضور جرم اضافی در ناحیه را نشان می‌دهند. منشأ چگالی جرمی از زمان اکتشاف آن‌ها در سال ۱۹۶۸ یک راز بوده است، اگرچه پژوهشگران عموماً معتقدند که این توده‌ها نتیجه‌ی تأثیرات باستانی میلیاردها سال پیش هستند.این تغییرات دقیق موقعیت به فضاپیما اجازه می‌دهد تا یک نقشه‌ی عمیق از چگونگی تغییرات کشش گرانشی ماه در هنگام حرکت آن‌ها روی سطح ماه ایجاد کنند.

جِی مِلوش، همکار پژوهشی گِریل در دانشگاه پوردو گفت:

 اطلاعات گِریل تأیید می‌کند که چگالی‌های جرمی ماه وقتی ایجاد شدند که سیارک‌های بزرگ یا ستاره‌های دنباله‌دار در زمانی‌که درون ماه بسیار داغ‌تر از اکنون بود، بر ماه باستانی تأثیر گذاشتند.

نقشه‌ي کشیده شده توسط گِریل همچنین فراوانی ویژگی‌هایی که هرگز با جزییات دیده نشده بودند مانند ساختارهای تکتونیکی، شکل زمین‌های آتش‌فشانی، حلقه‌های حوضه‌ای، قله‌های مرکزی دهانه‌ها و چندین دهانه ساده و کاسه‌شکل را آشکار کرد.

ناسا گفت:

 گِریل همچنین نشان داد که میدان گرانشی ماه برخلاف هر سیاره‌ی سنگی در منظومه شمسی است.

زوبر گفت:

چیزی که این نقشه به ما می‌گوید این است که، بیش از هر جسم آسمانی دیگری که ما درباره‌اش می‌دانیم، ماه میدان گرانشی خود را روی آستین‌اش می‌پوشد. وقتی ما یک تغییر قابل‌توجه در میدان گرانشی ماه می‌بینیم، می‌توانیم این تغییر را با ویژگی‌های توپوگرافی سطح ماه مانند، دهانه‌ها، کوه‌ها و ریل‌ها همگام‌سازی کنیم.

طبق گفته‌های زوبر، میدان گرانشی ماه همچون سندی از طوفان برخوردهایی عمل می‌کند که یک‌باره تمام پیکره‌ی سیاره‌ی سنگی سیاره را بمباران کرد. همچنین این میدان شواهدی را مبنی بر شکستن سطح داخلی ماه که به عمق پوسته و احتمالاً گوشته گسترش می‌یابد، نشان می‌دهد.

جزر و مد نشان داد که چگالی پوسته کوهستانی ماه به‌طرز قابل توجهی کم‌تر از مقداری است که فرض شده بود، که با داده‌های به‌دست آمده در مأموریت‌های انتهایی آپولو در اوایل دهه ۷۰ میلادی، مطابقت می‌کند. این نشان می‌دهد نمونه‌ سنگ‌هایی که فضانوردان آپولو از ماه به زمین آوردند، مشخصه‌های فرآیندهای سرتاسری و نه منطقه‌ای را دارند.

گِریل همچنین کشف کرد که ضخامت متوسط پوسته ماه در حدود ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر کم‌‌تر از مقداری است که قبلاً تصور می‌شد. درواقع این ضخامت عددی بین ۳۴ تا ۴۳ کیلومتر است.

مارک ویکزورِگ، همکار پژوهشی گِریل در مؤسسه جهانی فیزیک پاریس در این‌باره گفت:

با این ضخامت پوسته، ترکیب فشرده‌ی ماه مشابه زمین است. این موضوع از مدل‌هایی که ادعا داشتند ماه ریشه‌گرفته از مواد زمینی است که در طی یک رویداد تأثیرگذار عظیم در اوایل تاریخ منظومه شمسی بیرون رانده شده، پشتیبانی می‌کند.

گریل همچنین منشأ یک طرح ناهموار از سطح ماه را که به‌عنوان اقیانوس طوفان‌ها (Ocean of Storms) شناخته می‌شود، آشکار کرد. تئوری‌های اولیه پیشنهاد می‌دهند که این ناحیه از تأثیر برخورد یک سیارک ایجاد شده است. بااین‌حال، گِریل شواهدی را پیدا کرد که اقیانوس طوفان‌ها یک ناحیه‌ی مستطیلی شکل به طول ۲۶۰۰ کیلومتر است که درواقع از تشکیل گسل‎‌دره‌های باستانی ایجاد شده است. همان‌طور که این‌جا سطح ماه سرد و منقبض می‌شد، از محیط اطراف خودش دور می‌شد، در نتیجه باعث ایجاد شکاف‌هایی در مقیاس بزرگ می‌شد که شبیه به تَرَک هستند که به محض اینکه در گِل خشک می‌شدند، شکل می‌گرفتند.

جف اندروزهانا، همکار پژوهشی مأموریت گِریل در مدرسه‌ي معدن کلرادو در گُلدن واقع در کلرادو، و نویسنده اصلی این مقاله، در این‌باره گفت:

 الگوی مستطیلی ناهنجاری‌های گرانشی کاملاً غیرمنتظره بود. اکنون ما می‌توانیم واضح و کامل ساختارهایی که تنها با مشاهدات سطحی به آن‌ها اشاره شده بود را ببینیم.

پایان مأموریت

مأموریت گِریل وقتی که سوخت دو فضاپیما تمام شد، به پایان رسید. تیم گِریل تصمیم گرفت که مأموریت این جفت را با افتخار به پایان برساند، در نتیجه، عمداً آن‌ها را با امید کشف اطلاعات بیشتر درباره‌ی ترکیبات ماه به محض برخورد، با سطح ماه برخورد داد.

اما قبل از برخورد، گِریل یک آزمایش نهایی را کامل کرد. ۵۰ دقیقه قبل از برخورد ۱۷ دسامبر سال ۲۰۱۲، دو فضاپیما موتورهای خود را تا زمان اتمام  سوختشان روشن کردند، یک مانور برای تعیین دقیق مقدار سوخت باقی‌مانده در مخزن‌های دو فضاپیما طراحی شده بود. این اقدام نهایی برای تأیید مدل‌های کامپیوتری به مهندسان ناسا کمک کرد و پیش‌بینی نیاز به سوخت را برای مأموریت‌های آینده بهبود بخشید.

از آنجایی‌که ماه حدود ۳۸۰ هزار کیلومتر دور از زمین است، مشاهده تأثیر گِریل روی گازها از زمین چالش‌برانگیز بود. بنابراین، سه هفته قبل از زمان برنامه‌ریزی شده برای این برخورد، پژوهشگران مأموریت گِریل با تیم LRO یا مدارگرد شناسایی ماه ناسا (Lunar Reconnaissance Orbiter) که آن‎ها نیز در حال مطالعه روی ماه بودند، تماس گرفتند.

این تیم تلاش کرد تا مدارگرد خود را در مکانی برای مشاهده سقوط آتشین گِریل، قرار دهد. وقتی‌که جزر و مد به سطح برخورد کرد، LRO تنها ۱۶۰ کیلومتر از سطح ماه دور بود. از آنجایی‌که محل برخورد در سایه بود، این تیم باید صبر می‌کرد که گازها به اندازه کافی به بالا بروند تا در نور خورشید قابل رویت باشند. ابزارهای تیم LRO توانست جیوه و هیدروژن را در این گازها تشخیص دهد.

مکان‌هایی که هر دو فضاپیمای جزر و مد در آن‌ها آرمیده‌اند، نسبتاً کوچک هستند و تنها به اندازه ۴ الی ۶ متر وسعت دارند. موادی که در اثر برخورد منفجر شدند، الگوهای تاریک غیر معمولی را در سطح ماه ایجاد کردند.

مارک رابینسون، عضو تیم LRO از دانشگاه ایالتی آریزونا گفت:

دهانه‌های محل برخورد جدید در ماه به‌طور معمول روشن هستند، ولی این دهانه‌ها ممکن است به‌دلیل درهم‌ریختگی مواد استفاده‌شده در فضاپیما با مواد بیرون ریخته، تیره باشند.

هردو محل برخورد در جنوبی‌ترین حفره یک کوه ناشناخته قرار دارند و حدود ۲۲۰۰ متر دور از هم هستند. جزر حدود ۳۰ ثانیه قبل از مد به سطح ماه برخورد کرد؛ جایی که دهانه‌ی برخوردی‌اش را در غرب و شمال جفت دیگرش ایجاد کرد.

مدت کوتاهی پس از سقوط جفت دیگر، دهانه‌های ایجاد شده توسط آن‌ها به افتخار فضانورد سابق و رهبر تیم گِریل، سالی راید نام‌گذاری شد که در ژوئیه سال ۲۰۱۲ در حالی‌که مأموریت هنوز در جریان بود، از دنیا رفت.

زوبر در این‌باره گفت:

تمام فکر و ذهن سالی به اتمام رساندن کار بود، چه کاوش در فضا باشد، چه الهام‌بخشی نسل بعدی و کمک به مأموریت گِریل برای رسیدن به موفقیتی که امروز دارد. ما افتخار می‌کنیم که وقتی که ما مأموریت ماه را کامل کنیم، می‌توانیم سهم سالی راید را در این مأموریت با نام‌گذاری گوشه‌ای از ماه به نام او گرامی بداریم.

در مدت ۱۵ ماهه‌ی این مأموریت، گِریل دانش ما را درباره‌ی ماه بهبود بخشید، و توانستیم برخی از قدم‌های لازم برای بازگشت انسان به ماه را با این مأموریت برداریم.

جیم گرین، مدیر بخش علوم سیاره‌ای، هیئت مدیره‌ی مأموریت‌ علمی در واشنگتن گفت:

همان‌طور که ناسا با تلاش‌های اکتشافی رو به جلو حرکت می‌کند، مأموریت‌های علمی ماه، نور شناوری است که ما را به سمت فعالیت‌های انسانی آینده رهنمود می‌کند.