Po stopách měsíčního GRAILu

Obrázek/Figure 1.
GRAIL Artist's Rendition.
Kredit/Credit: NASA / JPL-Caltech.

Před víc než třemi týdny (17.12.2012) se dvojice sond mise GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory, obr.1) srazila s bezejmennou měsíční horou a definitivně tak ukončila svůj veleúspěšný pobyt na oběžné dráze našeho nebeského souputníka.
Tyto sondy, které okolo Měsíce kroužily od 31. prosince 2011 (sonda pojmenovaná Ebb), resp. 1. ledna 2012 (Flow), měly za úkol velmi podrobné studium gravitačního pole Měsíce. Použily přitom techniku vyzkoušenou již dříve u družic GRACE. Dvojice družic GRACE, které jsou společným projektem americké organizace NASA a německé DLR, obíhá okolo Země již od roku 2002. Obě obíhají po polární dráze ve výšce 500 km ve vzájemné vzdálenosti 220 km. Vzdálenost mezi nimi je měřena velmi přesným mikrovlnným dálkoměrem (přesnost v řádu mikrometrů!). Právě přesné měření vzájemné vzdálenosti je klíčem k velmi přesnému mapování gravitačního pole. To není u většiny těles sféricky symetrické, ale liší se místo od místa, ať už stojíme na povrchu nebo létáme na oběžné dráze v konstantní výšce. Lokální gravitační pole je ovlivněno jak tím co vidíme, tedy topografií terénu (hory, nížiny atd.), tak tím co je před našimi zraky skryto (podpovrchové oblasti s nižší či naopak vyšší hustotou). Pokud se například první z družic blíží k místu, ve kterém je silnější gravitační pole, řekněme hoře, začne ji hora více přitahovat a družice malinko zrychlí. Toto zrychlení se projeví malým zvětšováním vzdálenosti mezi družicemi. Toto zvětšování vzdálenosti je změřeno dálkoměrem. Po průletu nad horou dojde k opačnému efektu a hora začne družici malinko brzdit (zrychlení působí v opačném směru). Jakmile se dostane k hoře druhá družice, situace se opakuje, tentokrát v obráceném gardu. Nejprve se vzájemná vzdálenost zmenšuje, po průletu se zvětšuje.

Obrázek/Figure 2.
Map of the Moon with Bouguer gravity anomalies.
Bouguer gravity is what remains from the gravity field when the attraction of surface topography is removed, and therefore represents mass anomalies inside the moon due to either variations in crustal thickness or crust or mantle density.
Kredit/Credit: NASA / JPL / GSFC / MIT.

U mise GRAIL bylo použito stejného triku jako u GRACE. Dvojice měsíčních družic obíhaly po téměř stejné dráze ve vzájemné vzdálenosti ~200 km, která byla velmi přesně měřena mikrovlnným dálkoměrem. Protože Měsíc nemá atmosféru, mohly družice obíhat podstatně nížeji. V hlavní části mise, která trvala 90 dní, to bylo ve výšce ~50 km, později byla výška snížena na ~20 a ~10 km. Nízká dráha měla příznivý vliv na přesnost měření. Mise GRAIL měla za cíl zjistit a zmapovat odchylky v gravitačním poli s rozlišením lepším než 30 km, což se nakonec povedlo. Podle publikovaných map se zdá, že přesnost byla nakonec ještě o dost vyšší. Na obrázku č.2 je vidět příklad takové výsledné mapy gravitačního pole zobrazené na měsíčním glóbu. Přesněji se jedná o mapu tzv. Bouguerových gravitačních anomálií. Tato mapa ukazuje struktury pod povrchem Měsíce, poté co je odstraněn vliv topografie terénu. Zobrazené objekty představují anomálie v rozložení hmoty způsobené různou tloušťkou nebo hustotou měsíční kůry či pláště. Z údajů mise GRAIL bylo vytvořeno více podobných map jejichž podrobnější přehled spolu s výborným osvětlením toho, co vlastně GRAIL měřil, je možné najít v příspěvku na stránkách Planetary Society (autor Emily Lakdawalla).

Obrázek/Figure 3.
Map of the "lunar heritage sites" with ground tracks for the Ebb and Flow spacecraft during their final half-orbits (in blue and red).
Kredit/Credit: NASA / JPL-Caltech.

Nízká oběžná dráha sond GRAIL je sice vhodná pro mapování gravitačního pole, ale je málo stabilní. Na udržování takové dráhy se spotřebuje mnoho paliva, jehož zásoby jsou omezené. Proto bylo také hned zpočátku zřejmé, že životnost těchto sond nebude příliš vysoká. Měření byla ale prováděna velmi rychle a základní vědecká data byla pořízená během pouhých tří měsíců (březen až červen) a nějaké palivo zbylo i na prodlouženou misi, ve které se hlavní měření prováděla mezi koncem srpna a počátkem prosince. Nakonec byl proveden 14. prosince poslední větší manévr, který snížil dráhu obou sond tak, že 17. prosince ve 23:29 středoevropského času (22:29 UTC) narazily do bezejmenné hory na severní polokouli Měsíce. Na obrázku č.3 je vidět mapka Měsíce se znázorněnou částí posledního oběhu obou sond, který končí v místě dopadu v zakroužkované oblasti. Obrázek č.4 je detailnější mapkou s udáním souřadnic místa dopadu (75,62 severní šířky a 26,63 východní délky) a menší výškovou mapou. Konečně obr.5 ukazuje plánované místo dopadu na detailních snímcích ze sondy LRO. Obrázky vedou na stránky s detailnějším popisem a plnou verzí obrázků v rozlišeních 60 a 10 m/pix.

Obrázek/Figure 4.
GRAIL's Final Resting Spot.
Kredit/Credit: NASA / GSFC.

Obrázek 4 je detailnější mapkou s udáním souřadnic místa dopadu (75,62 severní šířky a 26,63 východní délky) a menší výškovou mapou. Konečně obr.5 ukazuje plánované místo dopadu na detailních snímcích ze sondy LRO. Obrázky vedou na stránky s detailnějším popisem a plnou verzí obrázků v rozlišeních 60 a 10 m/pix.

Obrázek/Figure 5.
GRAIL's final resting spot on the detailed map from LRO's WAC camera. Image goes on the page with high resolution image (60 m/pix) and very high resolution image (10 m/pix) from LRO's NAC camera.
Kredit/Credit: NASA / GSFC / Arizona State University.

Přestože vědecký cíl mise GRAIL se týkal jen mapování gravitačního pole, nebyla opomenuta ani širší nevědecká veřejnost. Datový systém sond GRAIL umožňuje přenos dat rychlostí 128 kbit/s od Měsíce. Protože samotná vědecká data týkající se gravitačního mapování vyžadují jen asi 2 kbit/s, bylo rozhodnuto využít přebytek 126 kbit/s pro další přístroje. Vzdělávací organizace Sally Ride Science (založená první američankou ve vesmíru - Sally Ride a studenty University of California v San Diegu) poskytla pro sondy GRAIL kamery určené k širšímu zapojení veřejnosti, konkrétně žáků základních a středních škol, do programu mise a výzkumu Měsíce. Žáci po celém světě mohli zadávat návrhy na snímkování různých částí Měsíce, které poté byly v rámci možností vyřízeny.
Sondy GRAIL nesly každá čtyři kamery, z nichž dvě byly namířeny k povrchu Měsíce kolmo ke směru letu a dvě zbývající zprostředkovávaly pohled na Měsíc před a za sondou. Kamery se svými parametry podobají webovým kamerám. Jsou barevné (čip má Bayerův filtr), mají relativně malé rozlišení (712×534 pixelů) a snímky jsou ztrátově komprimované. Oproti běžným webovým kamerám jsou ale uzpůsobeny mnohem lépe pro kosmické prostředí s vysokými hladinami radiace a mají i lepší optiku.

Obrázek/Figure 6.
GRAIL's final resting spot (in red circle) on the Ebb's image 1765_2REK2RH600000_128921_2012-135-02_04_13_000_2012-135-02_04_35_341.
Date: 14.5.2012. Altitude 43 km.
Kredit/Credit: NASA / Sally Ride Science / Daniel Macháček.

Během necelého roku bylo na Zemi přeneseno přes 121 tisíc snímků, z nichž velká část (pravděpodobně většina) je dostupná na stránkách projektu MoonKAM (Moon Knowledge Acquired by Middle school students). Snímky je možné také vyhledávat pomocí mapy měsíčního povrchu, takže například není problém podívat se, zda ze sond GRAIL nebyly třeba pořízeny snímky dopadové oblasti. Pořízeno jich bylo hned několik, zřejmě nejlepší je na obrázku č.6. Snímek s dlouhým názvem 1765_2REK2RH600000_128921_2012-135-02_04_13_000_2012-135-02_04_35_341 byl pořízen 14. května 2012 z výšky 43 km na měsíčním povrchem. Snímkování této oblasti navrhla škola Burgaw Middle School. Dopadovou oblast jsem na snímku vyznačil červeným kroužkem. Jedná se o pohled směrem od severu, takže před dopadem se dvojice sond GRAIL přibližovala od měsíčního horizontu.

Animace/Animation 1.
The Moon from Ebb's last images.
Date: 14.12.2012. Altitude 10 km. Timewarp: 5×.
Kredit/Credit: NASA / Sally Ride Science / Daniel Macháček.

Zřejmě poslední snímky ze sond GRAIL pořídil Ebb 14. prosince 2012 (tři dny před dopadem) v rámci závěrečné technické prověrky systémů z výšky necelých 10 -ti kilometrů. Protože byly pořízeny ve vysoké kadenci (zhruba 5 snímků za sekundu) bylo možné z nich sestavit dvě animace znázorňující pohled ze sondy na Měsíc. První část animací ukazuje záběry z kamery snímající terén po směru letu a v druhé, delší části je vidět terén z kamery s výhledem za sondu. Na animaci č.1 je vidět přibližně 5× zrychlená verze, vytvořená jednoduše jen použitím zveřejněných snímků a doplněním některých chybějících, či chybných záběrů syntetickými. Animace č.2 je vytvořená tak, aby ukazovala průlet v reálném, nezrychleném čase. Při její tvorbě jsem použil AviSynth MSU Frame Rate Conversion Filter.

Animace/Animation 2.
The Moon from Ebb's last images.
Date: 14.12.2012. Altitude 10 km. Timewarp: 1× (~realtime).
Kredit/Credit: NASA / Sally Ride Science / Daniel Macháček.

Poslední dva obrázky ukazují kontext obou animací. Obrázek č.7 je vytvořen pomocí výborné aplikace "Eyes on the Solar System". V této aplikaci je možné zjistit velmi přesně polohu různých sond v minulosti a do jisté míry dokonce i do budoucnosti. Na obrázku je znázorněna poloha sondy Ebb (v závěsu je Flow) v okamžiku pořízení prvních snímků animací (nahoře) a posledních snímků animací (dole). Do obrázků jsem přidal velmi přibližně znázorněná zorná pole použitých kamer a názvy velkých kráterů.

Obrázek/Figure 7.
Context image for animations 1 and 2. This image is based on excellent application "Eyes on the Solar System" and it depicts positions of Ebb spacecraft at the beginning of animations (top part of the image) and at the end of animations (bottom part of the image). I've added also names of major surface features and approximate depictions of FoV of Ebb's cameras.
Kredit/Credit: NASA / Sally Ride Science / Daniel Macháček.

Obrázek č.8 obsahuje snímky z různých částí animací (čas je uveden dole pro rychlou i pomalou verzi), ve kterých jsou vyznačeny názvy viditelných povrchových útvarů na Měsíci. Je vidět, že animace začínají v době, kdy se Ebb blížil k severnímu pólu Měsíce a končí v době, kdy přelétl kráter Kirkwood T a byl poblíže kráteru Sommerfeld (viz obr.7). Severní pól samotný je mimo záběr kamery a to přibližně o jednu délku červené šipky.

Obrázek/Figure 8.
Another context image for animations 1 and 2. Lunar surface features are named in frames from both animations.
Kredit/Credit: NASA / Sally Ride Science / Daniel Macháček.