Curiosity Mars Science Laboratory

Když 26. listopadu 2011 vynesla raketa Atlas 5 na dráhu k Marsu sondu Mars Science Laboratory (MSL), začala se psát nová kapitola v dosavadním průzkumu planet. Sonda nové generace je jedinečná jak skladbou vědeckých přístrojů, tak novým konceptem automatického přistání.

Mars postrádá globální magnetické pole, které by poskytlo ochranu povrchu před slunečním větrem. Jeho atmosféra je 100krát tenčí než na Zemi, a přestože je tvořena hlavně oxidem uhličitým, je příliš tenká, aby zachytila více tepla. Povrch je po většinu roku mrazivý, v průměru kolem minus 53 °C.

Kapalná voda by se dnes na Marsu téměř okamžitě odpařila nebo zmrzla. Všeobecně se má za to, že před miliardami let bylo klima na Marsu pro život vhodnější, se silnější atmosférou, chráněnou magnetickým polem. Většina odborníků se shoduje, že před třemi a půl až čtyřmi miliardami let bylo na Marsu podstatně více vody, v jezerech a místy v tekoucích řekách. Ve své rané historii byl patrně Mars dvojčetem Země.

Cílem laboratoře Curiosity je přispět k hledání odpovědi na otázku, zda na Marsu existoval život. Na rozdíl od přeformované Země by na tektonicky nehybném Marsu mohly v usazeninách zůstat zachovány morfologické a chemické stopy po biologické aktivitě. Ale jen v určité hloubce. Na povrchu nebo těsně pod ním, kde může působit laboratoř Curiosity, původní organické sloučeniny již asi zničilo intenzivní záření a oxidace. Mohly však přetrvat specifické izotopy, na které se pátrání pojízdné laboratoře zaměřuje.

Posouzení biologického potenciálu v místech pohybu laboratoře bude vycházet z měření umožňujících charakterizovat geologii a geochemii povrchu, popsat úlohu vody, zjistit spektrum radiace a složení atmosféry.

Více než stovka expertů z celého světa věnovala hledání vhodného místa k přistání pět let. Z pěti desítek lokalit vybrali v roce 2011 kráter Gale v rovníkové oblasti Marsu.

Tento impaktní kráter patří k nejstarším útvarům na Marsu. Družice Marsu zjistily, že vrstvy u úpatí hory jsou z minerálů, které vznikají za působení vody. Naopak horní vrstvy mohou obsahovat údaje o prostředí na Marsu před mnoha miliony let. Hlavním objektem zkoumání celé mise budou horniny na úpatí hory Sharp. Základní doba mise Curiosity je jeden marsovský rok, tedy 668 marsovských dní (nazývaných „sol“) neboli 687 pozemských dní. Od roku 2004, kdy byl projekt zahájen, dosáhly náklady na vývoj sondy, vozítka, vědeckých přístrojů i na řízení letu 2,5 miliardy dolarů.

Přístroje a experimenty

Vozidlo Curiosity je největším a nejsložitějším robotem, který dosud člověk vytvořil a vyslal na povrch jiné planety. Je vybaveno deseti nejmodernějšími vědeckými přístroji. Přístrojové vybavení pokrývá čtyři kategorie výzkumu. Okolní prostředí zkoumají meteorologická souprava REMS, detektor okolní radiace RAD, detektor odražených neutronů DAN a kamera MARDI na boku vozidla zaměřená kolmo dolů. Metodou dálkového průzkumu sledují povrch laserový spektrometr ChemCam a navigační kamera MastCam, které jsou na kamerovém stožáru. Bezkontaktním způsobem z bezprostřední blízkosti analyzují objekty na povrchu v okolí rentgenový spektrometr APXS a kamera pro podrobné zobrazení MAHLI, zabudované v hlavici na konci mechanické ruky. Nejvýznamnější kategorií jsou analytické soupravy na analýzu pevných a atmosférických vzorků – SAM na určení tepelně uvolněných plynů a CheMin na zjišťování minerálů.

První kroky

První informace o prostředí podávala sonda průběžně prostřednictvím širokoúhlé kamery MARDI již během sestupu. Curiosity pořídilo první zamžený obrázek marsovské krajiny přes ochranný kryt proti písku kamerou MAHLI druhý den po přistání. První ostré obrázky o den později pořídily kamery NavCam a MastCam. Úvodní úkony zahrnuly navázání přímého spojení, ověření funkčnosti všech systémů i přístrojů a nahrání nového softwaru pro řízení práce vozítka do obou řídicích počítačů.

Nejdříve byly spuštěny přístroje ke sledování radiace a atmosféry. Ke konci druhého týdne provedl první měření analyzátor ChemCam, a to horniny, která byla při přistání obnažena proudem spalin z raketových motorů. První pohyby provedlo Curiosity 16. den po přistání. Po prověření jízdy vpřed, vzad i do zatáčky vozidlo urazilo prvních 7 m od místa přistání.

Z místa dosednutí (Bradbury Landing) se vozítko vydalo 400 m východním směrem k prvnímu místu zkoumání (Glenelg), jež bylo zvoleno proto, že leží v oblasti styku tří geologických typů terénu. Řídicí tým se rozhodl jej prozkoumat ještě předtím, než vozítko zamíří k úpatí hory Sharp. Vozítko se při přemisťování pohybovalo průměrnou rychlostí kolem 2 cm/s (tedy 72 m za hodinu). A na cestě provedlo desítky i několikadenních zastávek k postupnému zapojování vědeckých přístrojů a měření na vybraných objektech.

Průkazné stopy po tekoucí vodě Curiosity objevilo dosud na třech různých místech. Vždy v podobě vrstvy z nánosu kamínků (viz obr.). Nejprve to bylo v místě přistání, když takový výchoz obnažil proud plynů z trysek raketových motorů, a pak na dvou dalších místech pojmenovaných Link a Hottah. K tomu poslednímu vozítko dorazilo koncem září. Kamerou Mastcam zde pořídilo obrázky terénu, který se podobá vymletému břehu malé říčky. Ve stěně původního břehu jsou patrné omleté oblázky. Podle velikosti oblázků lze usuzovat na rychlý proud vody a hloubku asi jeden metr.

Ke konci sedmého týdne se vozidlo zastavilo u osamělého kamene ve tvaru malé pyramidy vysoké 25 cm, se základnou širokou 40 cm. Kámen byl o poznání tmavší než jednotvárný plochý terén posetý malými kamínky a pískem, který vyplňuje celou oblast přistání. Při zjišťování chemického složení kamene pojmenovaného Jake Matijevic bylo poprvé využito mechanické ruky. Ve třech dnech se uskutečnilo několik měření, poprvé i spektrometrem APXS a přístrojem ChemCam, což poskytlo vzájemnou kalibraci obou přístrojů. Výsledky ukázaly na neobvyklý, ale dobře známý typ vyvřelin z mnoha sopečných oblastí na Zemi. Vzniká krystalizací magmatu s relativně vysokým obsahem vody za zvýšeného tlaku.

V následujících dnech, kdy vozítko pokračovalo v cestě ke Glenelg, provedlo i rekordně dlouhý jednodenní přesun: celých 53 metrů. Plné škály svých nástrojů Curiosity využilo pro analýzu marsovské půdy poprvé v místě Rocknest. Místo bylo vybráno pro výskyt jemného písku vhodného nejen k analýze, ale použitelného i jako čisticí prostředek k odstranění zbytků pozemských sloučenin z vnitřních povrchů odběrného a analytického systému. Spolu s analýzou v CheMin bylo poprvé použito i soupravy SAM.

První vzorek byl vsypán do analyzátoru CheMin 17. října. Výsledkem této analýzy bylo zjištění, že asi polovinu vzorku tvoří běžné sopečné minerály a polovinu nekrystalické materiály, jako je sklo. První pevné vzorky byly umístěny do soupravy SAM 9. listopadu. Výsledkem následné dvoudenní analýzy byly informace o složkách přítomných v mnohem nižších koncentracích a přibližném poměru izotopů. SAM použil tři metody pro analýzu plynů uvolněných po zahřátí vzorků v malé peci. V bohaté směsici sloučenin a prvků byly zjištěny látky s obsahem vody, síry, chlóru a dalších přísad. V případě vody šlo o její molekuly vázané na zrnka písku nebo prachu v množství vyšším, než se očekávalo. Chlór byl určen ve vazbě s kyslíkem. Chloristan je aktivní látka zjištěná také v polární oblasti Marsu sondou Phoenix. Při zahřátí vzorku v peci SAM byla zaznamenána také chlorovaná jednouhlíková organická sloučenina. Chlór je marsovského původu, ale uhlík může pocházet z Curiosity.

Po třítýdenní práci na Rocknest zamířilo vozítko asi o 100 metrů dále na východ s úkolem nalézt vhodné místo pro první vrt. V lopatce byl pro pozdější analýzu odvezen i materiál z pátého odběru. Za 16 týdnů činnosti uvnitř kráteru Gale překonalo vozítko Curiosity vzdálenost 517 m a pořídilo více než 23 000 obrázků.

V první prosincové dekádě dorazilo vozidlo do cílové lokality Glenelg, na okraji sníženiny zvané Yellowknife Bay, jejíž dno je asi půl metru pod okolním terénem. Ve sníženině se nachází plošší a světlejší povrch, než jakým vozítko projíždělo předtím. Je jedním ze tří druhů povrchů, které se v této oblasti setkávají. V dalších deseti dnech vozítko ve sníženině urazilo přes 80 m. Na vybraných místech probíhalo hlavně měření spektrometrem APXS a kamerou MAHLI, popřípadě kamerou MastCam a chemickým analyzátorem ChemCam.

V této oblasti Curiosity přečkalo v klidu vánoční svátky a konec roku. Od prvních lednovýchdnů pokračoval průzkum členitého povrchu Yellowknife Bay. Celková ujetá vzdálenost přitom ve 147. sol přesáhla 700 m. Tady také proběhlo odzkoušení kartáče na odstranění písku a prachu z objektů. Obrázky krajiny v Yellowknife Bay, především z kamery MastCam, odhalily různé nečekané útvary – žíly, uzlíky, vrstvení, lesklé oblázky v pískovci a možná i díry v půdě. Zkoumání světlých žil laserem přístroje ChemCam ukázalo zvýšený obsah vápníku, síry a vodíku. Mohly by být tvořeny z hydratovaného síranu vápenatého, jako je bassanit nebo sádra. Pro vznik podobných žil na Zemi je nutná voda proudící trhlinami v povrchu.

Při zkoumání obrazů sedimentárních objektů pořízených kamerou MAHLI se zjistilo, že některé z nich tvoří pískovec se zrny do velikosti pepře. Ostatní skály v blízkosti jsou prachovce, jejichž zrníčka jsou jemnější než práškový cukr. Ty se výrazně liší od slepence oblázků v přistávací oblasti.

Vědci tady také poprvé použili kameru MAHLI pro hledání fluorescenčních minerálů. Kamera má vlastní zdroj osvětlení, jenž posloužil pro pořízení nočního záběru kamene pojmenovaného Sayunei. Předtím však byl z jeho povrchu shrnut prach levým předním kolem.

První vrt v historii výzkumu nejen Marsu, ale jakékoliv jiné planety se uskutečnil 8. 2. 2013. Vrtací souprava na konci mechanické ruky vyhloubila do povrchu plochého výnosu v místě nazvané, John Klein otvor široký 16 mm a hluboký 64 mm. Vytěžený materiál z jemnozrnné, žilnaté sedimentární horniny byl z vrtáku přesypán do lžíce distribučního systému k dalšímu zpracování v analyzátorech CheMin a SAM. Operaci předcházela týdenní příprava, během níž byla postupně ověřována činnost jednotlivých částí vrtacího systému od testování tlaku na povrch vyvíjeného rukou s vrtákem až po vyhloubení zkušebního otvoru jen 20 mm mělkého.

Po prosátí byl získaný jemný prášek dva týdny po jeho vyvrtání umístěn do měřicích nádobek obou kompaktních analyzátorů. Analýza vzorku sedimentu ukázala nemalý obsah jílů, sulfáty a další minerály. Jílové minerály tvořily nejméně 20 procent vzorku. Patrně jsou produktem reakce vody s vyvřelými minerály, jako je například olivín, přítomnými v sedimentu. Přítomnost síranu vápenatého ukazuje, že půda je neutrální nebo mírně alkalická, ale rozhodně ne silně kyselá nebo extrémně slaná jako na jiných místech Marsu. Voda byla podle našich měřítek čerstvá a zřejmě i pitná. Před třemi miliardami let mohlo být v těchto místech ústí řeky stékající od kráterového valu nebo sladkovodní jezero a na vrcholku hory Sharp mohl ležet sníh.

Chemický rozbor spektrometrem SAM přinesl dva důležité poznatky. Prvním je prokázání přítomnosti síry, dusíku, vodíku, kyslíku, fosforu a uhlíku, tedy pro život klíčových chemických prvků. Druhým je překvapivý výskyt sloučenin s různým stupněm oxidace, což naznačila už namísto červené šedá barva odebraného vzorku. Na směsi obsahující takové dvojice jako například sírany a sulfidy je významné to, že poskytuje chemický zdroj energie, který řada mikrobů na Zemi (např. anaerobní bakterie) využívá k životu.

Díky těmto dvěma zjištěním lze dát kladnou odpověď na zásadní otázku této mise, zda na Marsu mohl existovat život. Je to první bezesporný důkaz o existenci prostředí vhodného pro život mimo Zemi. Současně však platí, že výsledky z přístroje SAM bude třeba definitivně potvrdit dalšími analýzami. Nejistota je u výskytu některých stopových plynů, kde není stoprocentně vyloučeno, že detekovaný uhlík je pozemský.

Tento výsledek již nyní představuje splnění hlavního cíle této mise. Avšak možná ještě významnější je pro celou strategii planetárního výzkumu. Zhodnotila se velká péče a důkladnost při výběru místa přistání, postavená na pokročilé úrovni metody dálkového průzkumu. Analýza provedená Curiosity na místě vlastně potvrdila závěry, k nimž vědci došli rozborem dat získaných v minulých letech stále dokonalejšími přístroji na umělých družicích Marsu. Bez této přípravy by naděje na nalezení místa jako Yellowknife Bay byla mnohem menší.

Vozidlo Curiosity setrvalo v této lokalitě řadu dalších týdnů. Jednak proto, že po narušení paměti počítače A a přepnutí na záložní počítač B si následné postupné oživování všech schopností vozidla vyžádalo tři týdny. Postupně se dařilo ukládat data v postižených oblastech, ale příčina poškození nebyla stále jasná. Podstatnější však bylo, že mezi Marsem a Zemí bylo v dubnu Slunce, které bránilo komunikaci s vozidlem.

Odebrání a analýzu alespoň jednoho dalšího vzorku bylo tedy možné provést až v květnu. A v půli června se rozhodlo o tom, že vozidlo nastoupí 8 km dlouhou cestu k hlavnímu cíli v kráteru Gale. Zkoumání geologických vrstev na úbočí hory Sharp, kde přítomnost jílů a sulfátů ukázala už data z družic Marsu, dnešní základní znalost obohatí o další informace o délce a rozmanitosti podmínek umožňujících mikrobiální život na rudé planetě.

V blízké budoucnosti budou následovat další sondy, které mají rozšiřovat poznání o Marsu. Další družice k němu bude vypuštěna v listopadu letošního roku. Je určena k výzkumu horní hranice atmosféry Marsu a určení intenzity jejího úbytku. V roce 2016 by měla startovat sonda InSight, jež po přistání na Marsu bude zkoumat jeho nitro. V roce 2020 by mělo být připraveno ke startu obdobné vozidlo jako Curiosity. Mezitím plánuje vyslání dvou sond k Marsu také Evropská kosmická agentura ve spolupráci s Ruskem – v roce 2016 družici a v roce 2018 první evropské vozítko ke zkoumání povrchu.