إعادة أولى العينات من قمر المريخ: نظرة على الجوانب العلمية لمهمة MMX اليابانية الجريئة إلى المريخ
إعادة أولى العينات من قمر المريخ: نظرة على الجوانب العلمية لمهمة mmx اليابانية الجريئة إلى المريخ
تُعدّ مهمة اليابان إلى المريخ واحدة من أكثر المهمات طموحاً في تاريخ رحلات الفضاء. وتهدف إلى أن تصبح أول مركبة فضائية تعود إلى الأرض من مدار المريخ، حاملةً معها أولى العينات على الإطلاق من نظام الكوكب الأحمر.
تُعدّ مهمة استكشاف أقمار المريخ (MMX) الأولى من نوعها لدراسة أصل قمري المريخ فوبوس وديموس. وتشمل هذه المهمة الضخمة الهبوط على فوبوس لجمع العينات – والتي يُرجّح أن تكون الأولى من نوعها التي تعود إلى الأرض من نظام المريخ – والبحث عن أدلة قد تُلقي الضوء على أحداث نشأة النظام الشمسي قبل مليارات السنين.
انطلق صاروخ H3 من مركز تانيغاشيما الفضائي الياباني يوم الاثنين (19 أكتوبر) الساعة 3:41 مساءً بتوقيت شرق الولايات المتحدة (19:41 بتوقيت غرينتش؛ 4:41 صباحًا بالتوقيت المحلي في اليابان، 20 أكتوبر). بعد رحلة تستغرق 10 أشهر للوصول إلى المريخ، ستقضي المركبة الفضائية حوالي ثلاث سنوات في دراسة فوبوس، حيث ستطلق مركبة جوالة وتهبط لجمع عينات منه. بعد ذلك، ستركز المهمة على ديموس للقيام بسلسلة من التحليقات قبل العودة إلى الأرض في نوفمبر 2030. إذا سارت الأمور وفقًا للخطة، فمن المقرر أن تهبط كبسولة MMX لإعادة العينات في أستراليا عام 2031.
المركبة الفضائية
تتألف المركبة الفضائية MMX من ثلاثة أجزاء رئيسية، بالإضافة إلى مركبة جوالة صغيرة. بعد إطلاقها من صاروخ الإطلاق H3، ستوفر وحدة الدفع الدفعة اللازمة لوضع MMX على مسارها نحو المريخ. تحمل وحدة الاستكشاف الرئيسية في MMX المركبة الجوالة IDEFIX بحجم الميكروويف ومعظم الأجهزة العلمية للمهمة، بينما تحتوي وحدة العودة على كبسولة إعادة العينات.
قامت شركة ميتسوبيشي إلكتريك اليابانية ببناء الوحدات الرئيسية الثلاث للمركبة الفضائية MMX، بينما تعاونت وكالة الفضاء الفرنسية CNES (المركز الوطني للدراسات الفضائية) والمركز الألماني للفضاء DLR (المركز الألماني لأبحاث الطيران والفضاء) في تطوير المركبة IDEFIX. وقد سُميت المركبة الصغيرة تيمناً بكلب من سلسلة القصص المصورة الفرنسية "أستريكس" التي صدرت في ستينيات القرن الماضي، في إشارة إلى أول قمر صناعي فرنسي يحمل الاسم نفسه، أستريكس، والذي أُطلق عام 1965.
مطياف أشعة جاما والنيوترونات الذي بناه مختبر جونز هوبكنز للفيزياء التطبيقية (APL)، وجهاز MIRS (مطياف الأشعة تحت الحمراء MMX) الفرنسي.
قمر بحجم كويكب أثناء دورانهما حول الكوكب الأحمر.
ستقضي المركبة الفضائية الأشهر القليلة الأولى لها في النظام المريخي في مراقبة فوبوس من ارتفاعات مختلفة، باستخدام كاميرات TENGOO و OROCHI، وتقنية LIDAR و MSA لرسم خريطة لسطح القمر، ودراسة تكوينه، واختيار مواقع الهبوط المحتملة.
سيتم إطلاق المركبة الجوالة في أواخر عام 2028 أو أوائل عام 2029، خلال أولى تجارب الهبوط لمركبة MMX، على ارتفاع حوالي 40 مترًا فوق فوبوس. ونظرًا لانخفاض جاذبية القمر الشديد، الذي يبلغ عرضه 22 كيلومترًا، ستتمكن المركبة من السقوط الحر على سطحه دون أي أضرار (نأمل ذلك)، وستستعيد توازنها بعد ارتدادات قليلة، لتبدأ استكشافه وجمع البيانات عن تضاريسه وظروف سطحه.
قال ليندسي هايز، المدير بالإنابة لقسم علوم الكواكب في ناسا، خلال إحاطة إعلامية حول المهمة في 15 أكتوبر، إن عملية جمع عينات MMX قد تبدأ في وقت مبكر من ديسمبر 2028. وستحاول المركبة الفضائية القيام بعمليتي هبوط لجمع العينات، حيث ستهبط وحدات الاستكشاف والعودة وتعود إلى المدار كمركبة واحدة.
على سطح فوبوس، ستقوم آليتان مختلفتان لأخذ العينات – آلية أخذ العينات الأساسية (C-sampler) وآلية أخذ العينات الهوائية (P-sampler) – باستخراج وجمع ما لا يقل عن 10 غرامات (0.35 أونصة) من المواد لتخزينها داخل كبسولة عودة المركبة الفضائية MMX قبل أن تنطلق مجددًا إلى مدارها. بعد هبوطها الأول وجمع العينات، ستعود MMX إلى نقطة اتصال قريبة من فوبوس قبل أن تهبط في موقع هبوط ثانٍ لمحاولة مماثلة والعودة لاحقًا إلى المدار.
ستنهي المركبة الفضائية MMX عمليات رصدها لفوبوس بعد حوالي ثلاث سنوات من التركيز على قمر المريخ، وستنتقل إلى مدار أعلى وأكثر رنينًا حول المريخ في عام 2030. وسيتقاطع هذا المسار بشكل متكرر مع مسار ديموس لسلسلة من التحليقات لجمع البيانات ومقارنتها بتلك المستقاة من عمليات رصد فوبوس، حيث يهدف العلماء إلى دراسة أصول الأقمار.
مع اقتراب نهاية عام 2030، ستنفصل وحدة الاستكشاف، تاركةً وحدة العودة لتشغيل محركها خارج نطاق جاذبية المريخ، لتبدأ رحلةً تستغرق ثمانية أشهر عائدةً إلى الأرض حاملةً العينات التي جُمعت. ومع اقتراب مركبة MMX من الأرض في عام 2031، ستُغلق آخر جزء من الفضاء الخارجي، وستنفصل كبسولة إعادة العينات، وتدخل الغلاف الجوي للهبوط بالمظلة في منطقة ووميرا الأسترالية، حيث سيتم استخراج محتوياتها لتحليلها مخبرياً من قِبل اليابان وشركائها في المهمة.
فوبوس وديموس
قد تُخبر هذه العينات، والبيانات التي جمعها مسبار MMX، العلماء بالكثير عن تكوين الأقمار وجغرافيتها، وربما الأهم من ذلك، كيف نشأت في المقام الأول. هناك نظريتان رئيسيتان لأصول فوبوس وديموس، تشير كلتاهما إلى روايات مختلفة تمامًا عن تاريخ المريخ القديم.
قال توم ستاتلر، المدير التنفيذي لبرنامج MMX والعالم في قسم علوم الكواكب التابع لناسا، خلال الإحاطة الإعلامية للمهمة في 15 أكتوبر: "يُعدّ كلٌّ من فوبوس وديموس مثيرين للاهتمام، ليس فقط في حدّ ذاتهما، بل إن وجودهما يُمثّل جزءًا أساسيًا من القصة الأوسع لنظام المريخ. فمن خلال الكشف عن أصل هذين القمرين، سنكتسب رؤى جديدة حول تاريخ كلٍّ من المريخ والأرض، ولا سيما تلك الأحداث التي شكّلت الكوكبين منذ مليارات السنين وساهمت في خلق العوالم التي نراها اليوم".
يُعد كل من فوبوس وديموس صغيرين نسبيًا وغير منتظمي الشكل، ويحملان العديد من أوجه الشبه والخصائص الطيفية للكويكبات البدائية من النوع D – وهي أجرام قديمة يُعتقد أنها تحتفظ بمواد تعود إلى تكوين النظام الشمسي قبل حوالي 4.6 مليار سنة. تشير هذه التشابهات إلى أن فوبوس وديموس ربما يكونان قد تشكلا في مكان آخر من النظام الشمسي، ثم اجتذبهما جاذبية المريخ لاحقًا.
إلا أن مداراتها شبه الدائرية، والمحاذية لخط الاستواء حول الكوكب الأحمر، تُعقّد هذه النظرية إلى حد ما. فعلى سبيل المثال، يقول العلماء إن الكويكب الذي تم أسره من المرجح أن يكون قد دخل مدارًا مستطيلًا ومائلًا، مشابهًا لاتجاه وسرعة اقترابه الأصلي. ولذلك، تُقدّم فرضية منافسة روايةً أكثر عنفًا، ولكنها مألوفة إلى حد ما، لأصول هذه الأقمار.
ربما يكون اصطدام هائل مع المريخ القديم قد قذف موادًا إلى المدار لتشكيل قرص من الحطام اندمج منه القمران في النهاية. هذه العملية، المشابهة لتكوين قمر الأرض، قد تفسر مداريهما الدائريين الاستوائيين.
حالت الملاحظات الجيولوجية والمدارية المتضاربة التي جُمعت حتى الآن عن فوبوس وديموس دون تمكّن العلماء من ترجيح فرضية على أخرى بشكل قاطع. ويهدف مشروع MMX إلى تقديم إجابة.
قال ستاتلر: "إنها خطان مختلفان تمامًا من الأدلة يشيران إلى اتجاهين مختلفين. وهذا ما يجعلها لغزًا مثيرًا للاهتمام". وأضاف أنه تم أيضًا طرح العديد من النظريات لسيناريوهات هجينة تجمع بين الاثنين.
"هناك طرق مختلفة، وتوليفات مختلفة من هذين السيناريوهين الأساسيين"، أوضح ستاتلر. "لكن هذا هو اللغز منذ البداية، خطان من الأدلة يبدوان متناقضين، يشيران إلينا إلى ما كان عليه التاريخ الحقيقي، لكننا لا نعرفه بعد."
العلم
تتنبأ كل نظرية من نظريات أصل أقمار المريخ بخصائص كيميائية مختلفة لأسطحها. يُفترض أن الكويكبات التي تم أسرها ستحتفظ ببصمات كيميائية لمواد نشأت في مكان آخر من النظام الشمسي، وربما تكون غنية بعناصر متطايرة مثل الهيدروجين. أما الأقمار التي تشكلت نتيجة اصطدام كوكبي، فستحتوي على مزيج من المريخ ومواد الاصطدام، وقد تغيرت بفعل الحرارة الشديدة لهذا الاصطدام العنيف.
قد يكشف تحديد السيناريو الأكثر ترجيحًا ما إذا كان المريخ قد تعرض لاصطدام هائل أدى إلى تكوين أقماره، أو أنه اكتسب أقماره من مكان آخر في النظام الشمسي المبكر. ويقول أعضاء فريق المهمة إن أيًا من الإجابتين قد يقدم رؤى جديدة حول تطور الكوكب والأحداث التي شكلت الكواكب الأرضية مثل الأرض قبل مليارات السنين.
قال ديفيد لورانس، الباحث الرئيسي في مشروع ميغان التابع لمختبر الفيزياء التطبيقية، خلال الإحاطة الإعلامية التي عُقدت في 15 أكتوبر: "في هذه المرحلة، لا نعرف شيئًا عن تكوين فوبوس. لدينا معلومات عن علم المعادن، ولكن ليس لدينا معلومات عن التركيب العنصري. ولذلك، تُعد العناصر وسيلة أساسية للإجابة على بعض هذه الأسئلة الجوهرية."
تمت معايرة مجموعة الأدوات العلمية الخاصة بـ MMX بعناية لإجراء هذه القياسات. الكاميرات وأجهزة الاستشعار الموجودة على وحدة الاستكشاف TENGOO و OROCHI و LIDAR الخاصة بـ MMX ستقوم الأجهزة برسم خرائط لتضاريس فوبوس، وخصائصه الجيولوجية، وتغيرات مواد سطحه من مداره، لتوفير أدلة حول تكوين القمر وتطوره. ويكمل هذه القياسات جهاز MIRS. تم تصميمه للكشف عن المعادن السطحية لفوبوس وتصنيفها والبحث عن المركبات العضوية لتمييز أصله المحتمل بشكل أكبر على أنه كويكب أو قطعة قديمة من المريخ.
ذا راكس مطياف وجهاز miniRAD ستضيف الأجهزة الموجودة على متن المركبة الفضائية IDEFIX سياقًا محليًا لتلك الملاحظات من خلال فحص المعادن السطحية وخصائصها الحرارية عن قرب.
عاد مسبار ميغان التابع لناسا إلى مداره سيقيس الجهاز التركيب العنصري لفوبوس باستخدام مطيافية أشعة غاما والنيوترونات، والتي يمكنها مسح عشرات السنتيمترات تحت سطح القمر بحثًا عن دلائل على وجود عناصر متطايرة. فعلى سبيل المثال، قد تدعم وفرة الهيدروجين والكلور والصوديوم والبوتاسيوم فرضية التقاط الكويكب، بينما قد تشير وفرة هذه المركبات المنخفضة إلى الحرارة والتدهور الكيميائي المصاحبين لاصطدام كوكبي.
قال لورانس: "في اللغة اليابانية، تعني كلمة 'megane' النظارات". "لذا نحب أن نفكر في MEGANE على أنها أداة ستنظر إلى فوبوس باستخدام نظارات أشعة جاما والنيوترونات."
عند مقارنة نتائج MEGANE بالعينات التي سيعيدها MMX إلى الأرض، يمكن أن تساعد العلماء في تحديد ما إذا كان استنزاف المواد المتطايرة الموجود على فوبوس يعكس الحرارة الشديدة لتكوين ما بعد الاصطدام أو مليارات السنين من التآكل اللاحق الناتج عن التأثيرات الطبيعية للتعرض للفضاء.
في غضون ذلك، سيقيس جهاز MSA الجسيمات المشحونة حول فوبوس، باحثًا عن أدلة على وجود جليد تحت السطح، ومحققًا في كيفية تأثير تعرض سطح القمر للرياح الشمسية. كما سيدرس الجسيمات الجوية المنبعثة من المريخ. CMDM سيقيس الغبار المحيط بالمريخ، بما في ذلك الجزيئات التي يحتمل أن تكون قد قُذفت من أقماره بفعل الاصطدامات.
ستساعد الملاحظات المقارنة لـ Deimos بعد مغادرة MMX النهائية لـ Phobos في تحديد ما إذا كانت الأقمار تشترك في تركيبات مماثلة، وربما أصل مشترك.
بمجرد عودة عينات فوبوس إلى الأرض بسلام، سيُمكّن التحليل المختبري لها العلماء من دراسة تركيبها الكيميائي ومعادنها بدقة تفوق دقة الأجهزة الموجودة على متن مركبة MMX. ويمكن لاختبارات مثل التحليلات النظائرية – التي تقيس الفروق الدقيقة في التركيب الذري للعناصر – أن تساعد في تحديد أصول العينات من خلال مقارنة بصماتها الكيميائية ببصمات صخور المريخ ومواد الكويكبات.
يعتقد علماء وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA) أن بعض المواد التي تم إعادتها قد تكون أصلها من المريخ نفسه، حيث ترسبت على فوبوس بعد أن أدت اصطدامات الكويكبات القديمة إلى قذف الصخور من سطح الكوكب الأحمر، مما قد يحمل أدلة على ماضيه الجيولوجي.
جهد دولي
تمثل المهمة التي تقودها وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA) شراكات بين الوكالات مع وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، اللتين تقدمان الدعم في مجال الأجهزة والاتصالات من خلال شبكات الفضاء العميق وEstrack.
تشمل مساهمات ناسا في مهمة MMX أيضًا جهاز MEGANE، وهو جهاز أخذ عينات P من تصميم شركة Honeybee Robotics، واستثمارًا بقيمة 87 مليون دولار تقريبًا حتى نهاية المهمة. تموّل ناسا علماء الولايات المتحدة في فريق MMX، والذين سيشاركون، جنبًا إلى جنب مع خبراء ناسا في مجال المواد الفضائية، "بشكل كامل في فحص وتحليل عينات فوبوس علميًا عند وصولها إلى الأرض"، كما صرّح هايز خلال الإحاطة الإعلامية للمهمة. وأضاف: "نحصل على كامل القيمة والمشاركة العلمية بتكلفة إجمالية أقل [من تمويل المهمة بأكملها]".
مقابل دورها، ستتلقى ناسا ما لا يقل عن 15% من العينات المُعادة، على أن تُحفظ هذه المواد في مركز جونسون للفضاء التابع للوكالة في هيوستن لتحليلها وحفظها على المدى الطويل. ولهذا، قد يمتد الأثر العلمي لمهمة MMX إلى ما بعد انتهائها.
قال ستاتلر: "ستكون عينات فوبوس تاريخية"، مع إمكانية "أن تجيب الأبحاث المستقبلية على الأسئلة التي لا نعرف حتى الآن كيف نطرحها".
