NASA:s rymdfarkost Lucy kommer att lanseras i oktober 2021 på en 12-årig resa till Jupiters trojanska asteroider. Lucy-uppdraget kommer att inkludera tre jordgravitationshjälp och besök på åtta asteroider.

Kallas "trojaner" efter karaktärer från grekisk mytologi, de flesta av Lucys målasteroider är över från solsystemets bildande. Dessa trojaner kretsar runt solen i två svärmar:en som föregår och en som följer Jupiter i dess bana om solen. Lucy kommer att vara den första rymdfarkost som besöker trojanerna, och den första att undersöka så många oberoende solsystemmål, var och en i sin egen bana om solen.

Att studera Jupiters trojanska asteroider på nära håll skulle hjälpa forskare att finslipa sina teorier om hur vårt solsystems planeter bildades för 4,5 miljarder år sedan och varför de hamnade i sin nuvarande konfiguration. "Det är nästan som att vi reser tillbaka i tiden, " sa flygingenjören Jacob Englander, som hjälpte till att designa Lucys bana när han arbetade på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Först tänkt för sju år sedan som ett uppdrag till två asteroider, Lucy expanderade till episka proportioner tack vare kreativ ingenjörskonst och oklanderlig timing. Vissa föreställer sig att karma också kan ha haft med det att göra:"Jag skämtar ofta om att jag har tillbringat min karriär med att dyrka vid fötterna av den himmelska mekanikens gudar, " sa Lucy huvudutredare Harold Levison, en expert på planetdynamik baserad på Boulder, Colorado, filial av Southwest Research Institute (SwRI), som har sitt huvudkontor i San Antonio. "Nu betalar de oss tillbaka för den hängivenheten."

Banan

Enligt uppdragslegenden, ögonblicket som förändrade allt var 2014, några år innan NASA valde Lucy för flygning. Långårig uppdragsbana designer Brian Sutter från Lockheed Martin Space i Littleton, Colorado, gick Levison genom en datorsimulering av Lucys föreslagna rutt genom solsystemet.

Det verkade för Levison att Lucy skulle passera Patroclus på väg till dess officiella mål; Patroclus är en av ett par trojanska asteroider som kretsar kring varandra. Utan att veta av Sutter vid den tiden, Patroclus är en favorittrojan från Levison's. Låst i en binär bana med sin nästan tvillingpartner Menoetius, det är en sällsynt och mystisk ras inne i Neptunus omloppsbana. De flesta asteroider som bosatte sig i det inre solsystemet borde ha rivits från sina partner under den turbulenta planetbildningsperioden som präglades av massiva kollisioner.

Hur höll sig detta par intakt? Svaret kan innehålla viktiga ledtrådar till tidpunkten och utförandet av planetbildning, sa Levison. "Jag vet inte varför Brian valde att inkludera Patroclus; det kanske var en av de stora, han kanske gillade namnet, " sa han. "Men när jag såg det, Jag minns att jag skrek "Vänta, vänta:Kan vi åka dit?"

Sutter har designat rymdfarkoster i årtionden, inklusive sådana för NASA:s asteroidprov returuppdrag OSIRIS-REx och NASA:s Mars Odyssey Orbiter, med rymdfarkost byggd av Lockheed Martin. Han inkluderade Patroclus och Menoetius i Lucys banasimulering helt enkelt för att de var i det himmelska grannskapet; paret var inte riktigt på Lucys väg. Men Sutter kontrollerade om solsystemet skulle vara inriktat i framtiden så att Lucys bana kunde föra det tillräckligt nära paret för att observera dem.

Medan det hände, Lucy och Patroclus-Menoetius-paret korsade vägar 2033. "Det var bara tur, " sa Levison.

Detta fynd inspirerade Sutter att söka andra mål längs Lucys väg under uppdragets tidsram. Han matade 750, 000 kända asteroider kretsar in i ett kalkylblad, plus Lucys bana vid den tiden, och tillbringade månader med att köra beräkningar som hittade ytterligare en handfull asteroider – sådana med olika kemiska sammansättningar som var perfekta vetenskapsmål för uppdraget.

"Jag fortsatte att lägga till möten i min simulering tills vi fick slut på bränsle på rymdfarkosten, och det var där vi avslutade Lucys bana, " sa Sutter. "Men, Jag visste också att det finns fler mål på vägen, och vi kunde komma till dem om vi hade lite mer bränsle."

Som han alltid har gjort, Sutter använde Excel som ett av sina banverktyg – ett program som de flesta förknippar med redovisning – för att utforma Lucys väg genom rymden. "Jag kan göra alla möjliga magiska saker i den, " sa Sutter. Det skulle ta Englander, som arbetade på NASA Goddard, för att optimera banan och få rymdfarkosten till åtta mål som sträcker sig i diameter från cirka 2 miles (3 kilometer) till 70 miles (113 kilometer).

Nu en uppdragsdesigner vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland, Englander var inte involverad med Lucy när han läste om det på en populär nyhetssajt. Han råkade bygga en kraftfull programvara som heter Evolutionary Mission Trajectory Generator, eller EMTG, nu tillgänglig som öppen källkod för alla som vill använda den. EMTG skulle kunna gå igenom miljontals banascenarier på timmar istället för månader. "Jag hade en känsla av att det skulle vara fördelaktigt för Brian och teamet om jag skulle ge dem en version av banan som återges i EMTG, så jag omvandlade uppdraget baserat på artikeln, sa Englander.

Rutten Englanders mjukvara identifierade minskad bränsleförbrukning och storleken på Lucys bärraket. Som ett resultat, det sparade uppdraget pengar samtidigt som det tog det förbi fler asteroider, säkra Englander en plats i laget, och ställa in Lucy för att bli utvald av NASA 2017.

Nu, Lucy kommer att starta från jorden ombord på en Atlas V 401-raket under ett fönster som öppnar den 16 oktober, 2021. Den kommer först att flyga förbi jorden två gånger för att använda denna planets gravitation för att kasta sig mot trojanerna. År 2025, Lucy kommer att flyga förbi Donaldjohanson, som kretsar i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter. Teamet kommer att använda denna förbiflygning för att testa rymdfarkostens instrument.

Senast i augusti 2027, Lucy kommer att nå sin första svärm av trojaner som föregår Jupiter på en gravitationsstabil plats känd som en Lagrangepunkt, specifikt känd som L4. Där, rymdfarkosten kommer först att korsa Eurybates (uttalas "yoo-RIB-a-teez" eller "you-ri-BAY-teez") och dess satellit Queta ("KEH-tah").

Senast i september 2027, Lucy kommer att flyga förbi Polymele ("pah-li-MEH-lee" eller "pah-LIM-ah-lee"), och sedan i april 2028 av Leucus ("LYOO-kus" eller "LOO-kus"), och Orus ("O-rus") i november 2028.

Lucy kommer sedan att svänga tillbaka förbi jorden för en tredje gravitationshjälp, som kommer att katapultera den mot svärmen på andra sidan Jupiter, ligger vid L5 Lagrange-punkten, där den kommer att möta Patroclus ("pa-TROH-klus") och Menoetius ("meno-EE-shus" eller "meh-NEE-shus") 2033.

Vetenskapen

Trojanerna är kluster av stenkorn och exotiska isar som inte smälte samman till planeter när solsystemet bildades. De är bland de bäst bevarade bevisen vi har kvar från den perioden och är därför nyckeln till att förklara hur solsystemet kom att se ut som det gör.

"När vi ser tillbaka på solsystemet och vår plats här på jorden, folk frågar ofta, "Vad är vår historia? Hur kom vi hit?" sa Cathy Olkin, Lucys biträdande huvudutredare som är baserad på Southwest Research Institute. "Lucy kommer att försöka hjälpa till att svara på några av dessa frågor."

Det finns en handfull teorier som förklarar hur planeter, månar, och andra föremål bildades och hamnade på sina nuvarande platser. Levison, till exempel, är medförfattare till Nice-modellen, uppkallad efter staden i Frankrike där den utvecklades 2004. Denna datorsimulering av det tidiga solsystemet tyder på att jätten, gasformiga planeter började i en packad konfiguration runt solen. Så småningom, gravitationsinteraktioner med skivan av små kroppar och med varandra fick de växande planeterna att spridas isär. Neptunus, Uranus, och Saturnus spred sig längre bort från solen, medan Jupiter rörde sig något närmare in.

"I denna teori, denna ombildning orsakade kaotiska störningar, sa Olkin, en planetforskare, "att sprida ut många kroppar ur solsystemet och dra in några och fånga dem runt Lagrange-punkterna. Det är en möjlig förklaring till hur Jupiters trojaner kom till."

Att jämföra sammansättningen av Jupiter-trojanerna kommer att hjälpa forskare att reda ut deras historia. Från jord- och rymdteleskop, Trojaner ser kompositionsmässigt olika ut från varandra. Beror det på att var och en kom från olika delar av solsystemet och därför var gjorda av olika saker? Eller är trojanerna gjorda av samma grejer, med skillnader endast synliga på deras ytor, som kan ha förändrats av olika grader av uppvärmning, strålning, och kollisioner som asteroiderna upplevde när de tog sig till sina nuvarande Lagrange-positioner.

Forskare kommer att försöka svara på dessa och andra frågor med Lucy genom att använda instrument som L'Ralph, som är baserad på en liknande Olkin ledde på NASA:s rymdfarkost New Horizons. L'Ralph kommer att undersöka den kemiska sammansättningen av skrymslen och vråren på asteroidytor från cirka 620 miles, eller 1, 000 kilometer, borta i genomsnitt. Djupa kraterbäddar, eller kraterväggar, kan erbjuda tillgång till interiören av dessa asteroider, som är gjorda av yngre material (miljoner år gamla mot miljarder år för den äldsta yttre ytan). Sådana "färska" ytor skulle förmodligen inte ha utsatts för lika mycket strålning och mikrometeoritslag, och därmed kunde bevara en del av asteroidens ursprungliga sammansättning.

Med hjälp av Lucys L'LORRI svart-vita kamera kommer forskare att räkna antalet kratrar på asteroidytor, som kommer att ge ledtrådar till de miljöer som asteroiderna exponerades för för miljarder år sedan. Många stora kratrar skulle tyda på att asteroiden bildades i det turbulenta och varmare området närmare solen; medan färre kratrar skulle antyda att trojanen bildades i det relativt lugna och kalla yttersta området av det spirande solsystemet. Att ta reda på var dessa asteroider bildades i skivan av gas och damm som skapade solsystemet, plus andra former av bevis, kommer att hjälpa forskare att testa sina teorier om planetbildning.

"Det skulle vara historien som jag skulle vilja se utvecklas under det kommande decenniet eller så, " sa Levison.

Ett långt uppdrag

Även om de flesta NASA-uppdrag varar flera år, ingenjörer bygger så hållbara rymdfarkoster och instrument att de kan fungera långt utöver sina primära uppdrag, och, verkligen, många gör det. New Horizons uppdrag till Pluto, till exempel, designades för att hålla i 10,5 år, inklusive en nio och ett halvt års pendling till dvärgplaneten. Men uppdraget utökades, och rymdfarkosten förblir aktiv till denna dag, 15 år efter lanseringen 2006.

Lucys primära uppdrag på 12 år är NASA:s längsta hittills. För att upprätthålla en sådan ambitiös strävan, teamet var tvungen att planera inte bara för rymdfarkostens livslängd – som delvis var modellerad efter New Horizons – utan också för dess folk. Från att ha utformat uppdraget, att lämna in förslag till NASA, att bli utvald och bygga rymdfarkosten, några teammedlemmar har redan arbetat på Lucy i mer än ett decennium – och rymdfarkosten har inte ens lanserats än! Vissa kommer att tillbringa en stor del av sitt vuxna liv med att arbeta med detta uppdrag. Och om Lucy fortsätter till ett utökat uppdrag, den kunde flyga i många decennier.

"Det kan mycket väl vara så att när Lucy är klar, eller utan gas, att min son som just föddes kommer att vara den ålder som jag är nu, sade Englander, som är 37 år gammal, "och det är bara riktigt coolt!"

Men folk byter jobb och går i pension, så med tanke på Lucys livstid, teamet ville undvika stora störningar under dessa oundvikliga förändringar. Att göra så, teamet inkorporerade en successionsplan i Lucys design:uppdragsledare som tenderar att vara längre fram i karriären har yngre suppleanter som kan ta över om det behövs. "Vi hade koll på livslängdsfrågan från första början, sa Levison, som kommer att vara 75 år när det primära uppdraget avslutas 2033.

Patroklos och Menoetius, fortsatt....

Beläget i svärmen av trojanska asteroider som följer Jupiter i sin omloppsbana, det binära paret Patroclus och Menoetius, ungefär lika i massa, snurrar runt massans centrum mellan dem - "som en hantel utan stång, " noterade Sutter. Det finns goda bevis för att de första betydande sakerna som bildades i solsystemet var dessa typer av binärer.

I dag, de flesta sådana binärer är begränsade till Kuiperbältet, en munkformad region av de äldsta och minst förändrade kometerna och andra föremål gjorda av is, sten, och damm. Detta bälte sträcker sig från omloppsbanan för den yttersta planeten Neptunus till bortom Plutos omloppsbana.

Aktuella bevis tyder på att Patroclus och Menoetius troligen bildades i det yttre solsystemet, på samma plats som många av Kuiperbältsobjekten – de hoppas kunna lära sig säkert när Lucy kommer nära dem 2033. Om så är fallet, detta trojanspar kan vara forskarnas bästa hopp om att nå fler Kuiper-bältesliknande objekt (New Horizons besökte Kuiperbältsobjektet Arrokoth 2019).

Forskare som Levison har en teori om att när de jättelika planeterna började flytta sina banor för cirka 4 till 4,5 miljarder år sedan spred de allt omkring dem. Patroklos och Menoetius råkade vara utspridda inåt Jupiter, medan många andra föremål fångades i Kuiperbältet, och några lanserades ut ur solsystemet. "Så, vi letar efter ledtrådar om det är korrekt eller inte, sa Keith Noll, Lucy projektforskare som är baserad på NASA Goddard.

När Lucy når Patroclus-paret, forskare kommer att undersöka deras sammansättning och antalet kratrar på deras ytor. "Kommer de att vara släta eller slå upp?" sa Noll. "Och blir de misshandlade lite eller mycket?" Att hitta svar på dessa frågor kommer att ge forskare insikt i de trojanska asteroidernas relativa ålder och förhållandena i det tidiga solsystemet.