داستان ماموریت اسیریس رکس؛ ناسا چگونه خاک سیارک بنو را به زمین آورد؟

در روز خنکی در فوریه ۲۰۰۴، دانته لورتا، استادیار سیاره‌شناسی در دانشگاه آریزونا تماسی از مایکل دریک، رئیس آزمایشگاه قمری و سیاره‌ای دانشکده دریافت کرد. دریک گفت: «لاکهید مارتین در دفتر من است. آن‌ها می‌خواهند فضاپیمایی را به یک سیارک بفرستند و از آن نمونه بگیرند. آیا مایلی همکاری کنی؟»

عصر آن روز لورتا و دریک با استیو پرایس که در آن زمان مدیر توسعه تجاری لاکهید مارتین اسپیس بود، در کافه‌ی هتلی در توسان با هم ملاقات کردند. پرایس توضیح داد که فناوری ساخت مهندسان شرکت به فضاپیمایی به اندازه اتومبیل پست اجازه می‌دهد با سیارکی نزدیک زمین ملاقات کند و سپس وارد حالتی شبیه مرغ مگس شود و با سطح آن تماس برقرار کند. منقار فضاپیما ساختار بازشونده‌ای به طول ۳٫۵ متر است که در انتهای آن قوطی قرار دارد و به کمک جریانی از نیتروژن مواد را از جا بلند می‌کند. فضاپیما نمونه را در کپسول محافظی نگهداری می‌کند، به سمت خانه برمی‌گردد و آن را به کمک چتر نجات به زمین می‌فرستد.

سیارک‌ها به دلایل مختلفی مورد توجه پژوهشگران قرار دارند. ازآنجا که بیشتر آن‌ها قبل از زمان تولد زمین وجود داشته‌اند، سرنخ‌هایی درمورد تاریخ طولانی منظومه شمسی دارند. آن‌ها اغلب حاوی عناصر معدنی باارزشی نظیر کبالت و پلاتین هستند که منابع زمینی آن‌ها درحال کاهش است. در آینده، سیارک‌ها ممکن است سوخت، اکسیژن، آب و مواد ساختمانی موردنیاز فضانوردان را فراهم کنند.

سیارک‌ها همچنین می‌توانند خطرآفرین باشند: در سال ۲۰۰۴، ستاره‌شناسان تخمین زدند که با احتمال سه درصد، سیارک آپوفیس در سال ۲۰۲۹ با زمین برخورد می‌کند و می‌تواند میلیو‌ن‌ها نفر را بکشد. (اکنون پیش‌بینی می‌شود آپوفیس با فاصله حدود ۳۲٬۱۸۶ کیلومتر از کنار زمین عبور کند).

اگرچه از وجود حیات روی سیارک‌ها مطلع نیستیم، بیوشیمی‌دان‌ها نیز به این اجرام آسمانی علاقمند هستند. در برهه‌ای از تاریخ زمین، شیمی به زیست‌شناسی تبدیل شد: مولکول‌های ساده‌تر با مولکول‌های پری‌بیوتیک (پیش‌زیستی)‌ واکنش نشان دادند و دی‌ان‌ای، آران‌ای، پروتئین‌ها و سایر اجزای حیات را ساختند.

بسیاری از دانشمندان معتقدند ترکیبات شیمیایی مهم حیات روی زمین ایجاد نشده‌اند، بلکه توسط سیارک‌ها به زمین آورده شده‌اند. تجزیه‌وتحلیل نمونه بازیابی‌شده از سیارک‌ها می‌تواند به روشن کردن این مساله کمک کند که بیوشیمی از کجا آمده است.

یک ماه قبل از ملاقات لورتا، دریک و پرایس، فضاپیمای استارداست ناسا از دنباله‌داری به نام وایلد۲ بازدید و یک میلی‌گرم ماده جمع‌آوری کرده بود. ماموریتی که پرایس آن را توصیف می‌کرد، می‌توانست مقدار بیشتری نمونه بیاورد که برای قرن‌ها پژوهش کافی بود. با‌این‌حال لورتا مردد بود.

سال‌ها طول می‌کشد تا ماموریت جدیدی تایید شود و حتی اگر آغاز شود، موفقیت حتمی نیست. مشاور لورتا در دانشکده تحصیلات تکمیلی، دانشمند فضاپیمایی معروف به «دیدبان مریخ» بود. دیدبان مریخ از فضاپیماهای ناسا بود که به منظور گردش به دور سیاره سرخ و مطالعه زمین‌شناسی، اتمسفر و آب‌و‌هوای آن طراحی شده بود. ماموریت مذکور نویدبخش دستاوردهای علمی جدید و ایجاد شغل بود. اما در سال ۱۹۹۳، درست زمانی که فضاپیما در آستانه ورود به مدار مریخ بود، ناپدید شد و دیگر خبری از آن نشد. ناسا براین باور است که پارگی شلنگ سوخت علت گم‌شدن فضاپیما بود.

لورتا در ۳۳ سالگی درگیر آینده شغلی خود بود و باید درباره اختر زیست‌شناسی مقاله می‌نوشت؛ نه پیشنهادهایی برای ماموریت‌های فضایی. اما اگر او می‌توانست به سیارکی دست پیدا کند و از آن نمونه بگیرد، چه؟ نمونه‌برداری از سیارک مانند سفر به گذشته و جمع کردن یک بیل از مواد زمین اولیه بود. لورتا و دریک مدتی با هم گفتگو کردند و درنهایت به توافق رسیدند. قرار شد دریک که پیشگام حوزه سیاره‌شناسی و کهنه‌کار چندین پروژه ناسا بود، هدایت ماموریت را برعهده بگیرد و لورتا به‌عنوان پژوهشگر اصلی مطالعه، روی نمونه‌گیری و بازگشت مواد به زمین کار کند. این فرایند ممکن بود یک دهه طول بکشد، اما همچنین می‌توانست داستان حیات روی زمین را بازنویسی کند.

منظومه شمسی اولیه مکانی آشفته بود. در آن زمان، جرم بزرگی به نام«تیا» با زمین تازه تشکیل‌شده برخورد کرد و سطح آن را غرق دریایی از ماگما کرد و ماه را به‌وجود آورد. سیارک‌ها سپس سیاره زمین را بمباران کردند. درنهایت زمین سرد شد و اقیانوس‌ها ظاهر شدند. طوفان‌های رعدو‌برق کل زمین را فراگرفتند و در غیاب لایه اوزون، پرتو فرابنفش بر زمین می‌بارید. چند صد میلیون سال بعد، حیات در سوابق زمین‌شناسی پدیدار شد.

در سال ۱۹۵۳، استنلی میلر و هارولد یوری، دو شیمیدان دانشگاه شیکاگو نتایج آزمایشی را که میلر در تلاش برای شبیه‌سازی فرایند پیدایش حیات انجام داده بود، منتشر کردند. آن‌ها هیدروژن، آب، متان و آمونیاک را در سیستم بسته‌ای قرار دادند، آن را کمی گرم و جرقه‌های الکتریکی اعمال کردند. پس از یک هفته، ماده چسبناک تیره‌ای ظاهر شد. دانشمندان آن را تجزیه‌و‌تحلیل کردند و متوجه شدند حاوی چند اسیدآمینه است که برای ساخت پروتئین‌ها از آن‌ها استفاده می‌شود.

نتایج میلر و یوری حمایت چشمگیری از فرضیه «سنتز خانگی» بود. در متداول‌ترین نسخه از داستان پیدایش حیات روی زمین، اتم‌های chnops در سوپ بنیادین به هم می‌پیوندند و بازهای نوکلئوتیدی (اجزای اساسی مواد ژنتیکی) و اسیدهای آمینه را تشکیل می‌دهند. سپس اسیدهای آمینه به هم زنجیر می‌شوند و پروتئین‌ها را تشکیل می‌دهند و زمینه را برای ایجاد حیات سلولی فراهم می‌کنند. لیپیدها غشاهای سلولی را تشکیل می‌دهند و قندها انرژی مورد نیاز را فراهم می‌کنند و به بخشی از آر‌ان‌ای تبدیل می‌شوند که اطلاعات ژنتیکی را ذخیره می‌کند.

در مقابل فرضیه سنتز خانگی، فرضیه «تحویل خارجی» قرار دارد. طبق این فرضیه، سیارک‌ها و دنباله‌دارهای غنی از ترکیبات پری‌بیوتیک به زمین اولیه برخورد و به ایجاد حیات کمک کردند.

دانیل گلاوین، دانشمند ارشد مسئول بازگشت نمونه در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا، می‌گوید در دهه‌های اخیر دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که جو زمین اولیه برای ایجاد ترکیبات آلی آغازین مساعد نبوده است. میلر و یوری اتمسفر غنی از آمونیک و متان را فرض کردند، اما دانشمندان سیاره‌شناس کنونی بر این باورند که جو زمین اولیه عمدتا از دی‌اکسید کربن با کمی نیتروژن تشکیل شده بود.

در سال ۱۹۶۹ شهاب‌‌سنگی ۱۰۰ کیلویی متلاشی شد و تکه‌های آن در مزرعه‌ای نزدیک شهر مارچیسون در استرالیا روی زمین افتاد. دانشمندان متوجه شدند این شهاب‌سنگ غنی از ترکیبات پری‌بیوتیک و مواد معدنی حاوی آب است. بعدا، پژوهشگران از تکنیک پیشرفته‌تری برای تجزیه‌وتحلیل مجدد تکه‌هایی از شهاب‌سنگ مذکور استفاده کردند. آن‌ها در این نمونه‌ها مجموعه متنوعی از بازهای نوکلئیدی را کشف کردند. بازهای نوکلئیدی مولکول‌هایی هستند که روی زمین در ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی نقش دارند.

لورتا ظاهر مرتب و آراسته‌ای داشت، اما زندگی پر فراز و نشیبی را پشت سر گذشته بود. او همراه مادری مجرد در خانه سیاری در صحرای آریزونا بزرگ شد. پدرش که معتاد بود، در ۱۲ سالگی آن‌ها را ترک کرد. لورتا اولین عضو خانواده بود که به کالج می‌رفت و برای تامین مخارج خود به‌عنوان آشپز کار می‌کرد. او در دانشگاه آریزونا در سه رشته فیزیک، ریاضی و ژاپنی تحصیل کرد.

لورتا تابستان پیش از سال پنجم کالج خود را به آشپزی در رستورانی نزدیک دریاچه تاهو کار می‌کرد و در اتوبوسی می‌خوابید که در جنگل پارک شده بود. او روزی در روزنامه دانشجویی تبلیغی را دید که در آن نوشته شده بود: «اگر می‌خواهی جهان خود را گسترش دهی و به خاطرش پول هم بگیری، پیش ما بیا.» آگهی مربوط به برنامه تحقیقاتی ناسا بود که هدف آن آوردن دانشمندان جوان آینده‌دار به دنیای فضا بود.

لورتا درخواست داد، ناسا و دانشگاه آریزونا پذیرفتند و او به موسسه جستجوی هوش فرازمینی پیوست. او در آن‌جا برنامه‌ای کامپیوتری نوشت که می‌توانست آثار طیفی واکنش‌های شیمیایی را به زبان ریاضی تبدیل کند. لورتا سال بعد وارد دانشکده تحصیلات تکمیلی شد و در سال ۱۹۹۷ مدرک دکتری گرفت.

در سال ۱۹۹۹، اخترشناسانی که بخشی از برنامه پژوهشی ناسا، نیروی هوایی و موسسه فناوری ماساچوست بودند، جرمی به اندازه کوه را کشف کردند که به زمین نزدیک می‌شد. پژوهشگران تخمین زدند که احتمال برخورد آن با زمین یک در ۲۷۰۰ است. آن‌ها همچنین به این نتیجه رسیدند که این سنگ فضایی که بعدا «سیارک بنو» نام گرفت، احتمالا توده ‌سنگی غنی از کربن است.

در طول سه سال پس از بحث اولیه، لورتا و دریک دو طرح پیشنهادی طولانی برای ماموریت کوچک برگرداندن نمونه نوشتند که آن را اُسیریس (ریشه‌ها، تفسیر طیفی، شناسایی منابع، ایمنی) نامیدند. ناسا به خاطر هزینه‌ی خیلی بالا آن را رد کرد. آن‌ها در سال ۲۰۰۸ طرح پیشنهادی سومی را نوشتند که هزینه آن دو برابر بود اما ابزار علمی بیشتری را شامل می‌شد. پژوهشگران برای نشان دادن بزرگ‌تر بودن ماموریت آن را اسیریس-رکس نامیدند (ریشه‌ها، تفسیر طیفی، شناسایی منابع، ایمنی، جستجوگر رِگولیت).

ناسا در سال ۲۰۰۹ با لورتا تماس گرفت و خبر پذیرفته‌شدن طرح را داد، اما خبری از دریک نبود. لورتا متوجه شد دریک به خاطر نارسایی کبدی در بیمارستان بستری شده است. او پیوند کبد دریافت کرد و پس از بهبودی سرکار برگشت، اما در سال ۲۰۱۱ از دنیا رفت. اکنون هدایت پروژه دست لورتا افتاده بود که تجربه کمی در مدیریت داشت.

فضاپیما در دست ساخت بود و لورتا برای اجرای پروژه میلیارد دلاری خود کتاب‌های مهندسی را زیرورو می‌کرد. در این میان وقفه‌هایی نیز در ساخت موتور موشک ایجاد شد. فضاپیما درنهایت در تاریخ ۸ سپتامبر ۲۰۱۶ به فضا پرتاب شد و بیش از دو سال طول کشید تا حدود دو میلیارد کیلومتر مسافت بین زمین تا سیارک بنو را بپیماید.

از نزدیک، خود سیارک هم چالش‌برانگیز بود. تیم اسیریس رکس شکل، جهت چرخش و جهت قطبی آن را به درستی پیش‌بینی کرده بود، اما درمورد سطح سیارک اشتباه می‌کرد. گروه پژوهشی به ناسا گفته بود روی سطح سیارک فقط یک تخته سنگ شاید به عرض ده متر وجود داشته باشد. اما سیارک بنو سنگلاخی‌تر از چیزی بود که پیش‌بینی می‌شد. وقتی فضاپیمای پرنده‌شکل به دور سیارک در گردش بود، منظره پساآخرالزمانی ویران‌شده‌ای را کشف کرد.

درحالی‌که لورتا و تیمش درمورد محل فرود با هم بحث می‌کردند، فضاپیما به مدت یک سال دور بنو در گردش بود و از دور آن را مطالعه می‌کرد. در نهایت آن‌ها محلی به نام نایتینگل را در نیمکره شمالی سیارک انتخاب کردند. نایتینگل دهانه نسبتا تازه‌ای در قسمت سرد سیارک بود و مواد دانه‌ریز زیادی در آن وجود داشت که برای نمونه‌گیری مناسب بود.

پس از ده ماه مطالعه دیگر، در تاریخ ۲۰ اکتبر ۲۰۲۰، از دنور کلرادو چند فرمان به اسیریس رکس فرستاده شد. حدود ۱۸ دقیقه طول کشید تا سیگنال به آن سوی خورشید برسد. با دریافت فرمان، مرغ مگس عظیم بال‌های خود را کج کرد و منقار خود را دراز کرد. او به سمت پایین حرکت کرد و از کنار کوه دوم گذشت و به سمت نایتینگل رفت.

سطح سیارک برای سفینه به قدری ناهموار بود که نمی‌توانست با استفاده از لیزر ارتفاع خود را اندازه‌گیری کند. در عوض، کامپیوتر درون آن عکس می‌گرفت و پیکسل‌ها را مطالعه می‌کرد تا ارتفاع را تشخیص دهد. در محیطی که تصور می‌شد حدود ۵ متر بالای سطح باشد، این پیام را به زمین فرستاد: «احتمال خطر صفر درصد است.» ابزار نمونه‌گیر به سمت سیارک حرکت کرد و اول یک اینچ و سپس دو اینچ از آن را حفاری کرد. کسی نمی‌دانست سطح سیارک چقدر سفت است.

وقتی دستگاه به سمت سطح می‌رفت، نفس کارشناسانی که کنترل دستگاه را برعهده داشتند، در سینه حبس شده بود. اما مشخص شد سطح سیارک نرم است و امکان جمع‌آوری نمونه وجود دارد. نمونه‌گیر فرود آمد و به عمق حدود ۴۵ سانتی‌متر رسید و مقداری نمونه جمع‌آوری کرد. دانشمندان نتوانستند جرم دقیق ماده را اندازه‌گیری کنند، اما تخمین زدند که بیش از ۲۲۰ گرم جمع‌آوری شده است که برای تجزیه‌وتحلیل دانشمندان کافی بود. پس از انجام مشاهدات بیشتر، در ماه می ۲۰۲۱ فضاپیما را چرخاندند و مسیر آن را به سمت زمین تعیین کردند.

اسیریس رکس به ناسا کمک کرد تا احتمال برخورد با بنو را اصلاح کند. اکنون پژوهشگران می‌گویند احتمال اینکه سیارک بنو در سال‌های ۲۱۳۵ تا ۲۳۰۰ به زمین برخورد کند، یک در ۱۷۵۰ است. ازطریق تصویربرداری از نزدیک و مطالعات طیف‌شناسی، آن‌ها همچنین می‌دانند که زمانی آب بر بدنه جرم والد بنو جریان داشته است و این سیارک درحال‌حاضر حاوی ترکیبات آلی است.

صدها میلیون سال پیش قبل از جدا شدن بنو از بدنه سیارک والدش، مخازن عظیمی از مایعات حاوی کربن در درون آن نفوذ کرده بود. لورتا درباره تصویری که توسط این یافته‌ها ترسیم شده است، گفت: «شبیه سنگ‌هایی است که در چاه‌های گرمابی قلیایی اقیانوس وجود دارد. فکر می‌کنیم که آن محیط‌ها مکان‌های کلیدی برای منشا حیات روی زمین بودند. روی زمین، غیرممکن است که بگوییم کدام نوع از ترکیبات شیمیایی این محیط‌ها حیات را ایجاد کردند، زیرا آن‌ها با زندگی آلوده شده‌اند. روی بنو این آلودگی اتفاق نیفتاده است.»

در سال ۲۰۲۰ ماموریت ژاپنی هایابوسا ۲ حدود پنج گرم ماده را از سیارک ریوگو به زمین برگرداند. نمونه ازنظر علمی ارزشمند بود، اما به گفته‌ی لورتا، برای تجزیه‌و‌تحلیل ارگانیک کافی نبود.

از مواردی که دانشمندان به دنبال آن هستند، عناصر سازنده‌‌ای مانند بازهای نوکلئیدی یا اسیدهای آمینه است. آن‌ها می‌خواهند بدانند که آیا در فضا آن‌ها ساختار زنجیره‌ای پیدا کرده‌اند. چنین ترکیبات بزرگی احتمالا نسبت بسیار کمی از کل مواد آلی نمونه را تشکیل می‌دهند. بنابراین حجم نمونه بالا در اینجا مفید خواهد بود.

در ساعت ۴:۴۲ دقیقه صبح ۲۴ سپتامبر سیستم گیوتین‌مانندی روی فضاپیمای اسیریس رکس کابلی را که آن را به کپسول نمونه متصل کرده بود، قطع کرد و مکانیسم فنرمانندی کپسول را پرتاب کرد. فضاپیمای اصلی پیشرانه خود را فعال کرد و به سوی سیارک آپوفیس روانه شد. حال دیگر اسیریس رکس به پایان عمر رسیده و نام جدید فضاپیما اسیریس ایپکس است. در همین‌حال، کپسول بشقاب‌پرنده شکل با سرعت بیش از ۴۳٬۴۵۲ کیلومتر بر ساعت به سمت خانه روانه شد و سپس بر فراز سان‌فرانسیسکو به جو زمین برخورد کرد.

کپسول حاوی نمونه که دراثر برخورد با جو تا بیش از ۲۷۶۰ درجه سانتی‌گراد داغ شده بود، در عرض کمتر از دو ثانیه از ایالت کالیفرنیا عبور کرد. لورتا پرسید آیا چتر نجات بادي داریم؟ (برای تثبیت و بیرون کشیدن چتر نجات اصلی، باید چتر نجات بادی وجود می‌داشت که مانند ترمز عمل می‌کرد تا کپسول به آرامی فرود آید.)

چتر نجات بادی در کار نبود و کپسول درحال چرخ زدن بود. صدا گفت: «شصت هزار فوت». کپسول به زمین نزدیک‌تر می‌شد و هنوز چتری وجود نداشت. لورتا خود را برای بدترین سناریو آماده کرد: فرود فاجعه‌بار و پخش ‌شدن نمونه‌های سیارک بنو روی شن‌های بیابان یوتا. او با خود گفت هر اتفاقی که بیفتد، باید خونسردی خود را حفظ کند. اما سرانجام صدایی اعلام کرد «چتر نجات اصلی شناسایی شد.» با شنیدن این خبر، اشک در چشم‌های او حلقه زد. چیزی از ۹ صبح نگذشته بود که لورتا از هلیکوپتر پایین رفت و به سمت کپسول زغالی روانه شد. حاصل سال‌ها تلاش او تک و تنها روی شن‌های بیابان نشسته بود.

کپسول حاوی نمونه با هلیکوپتر به داگوی منتقل شد. در آن‌جا گروهی از کارکنان در اتاقی استریل جعبه نمونه را از کپسول بیرون کشیدند. آن‌ها ظرف را در کیسه‌های محافظ و سپس در مخزنی از نیتروژن قرار دادند که گاز بی‌اثری است که نمونه را بکر نگه می‌دارد.

صبح روز بعد جعبه توسط هواپیمای باری به آزمایشگاه مرکز فضایی جانسون در هیوستون منتقل شد؛ همان جایی که ناسا سنگ‌هایی را نگهداری می‌کند که توسط آپولو از ماه آورده شده است. در هیوستون، کاروانی متشکل از ده وسیله نقلیه ازجمله اسکورت پلیس نمونه را به ساختمان ۳۱ مرکز فضایی جانسون بردند.

در اتاق تمیز، دو جعبه آلومینیومی دریچه‌‌دار بزرگ وجود داشت. پرسنل لاکهید مارتین و ناسا درحالی‌که لباس‌های محافظ پوشیده بودند، قوطی را از لایه‌های محافظ جدا کردند و آن را در جعبه عایق در برابر هوا قرار دادند. آن‌ها با دقت زیاد قطعات محفظه حاوی نمونه را از هم باز کردند.

پس از آماده‌سازی‌های اولیه و خارج کردن ظرف حاوی نمونه، لورتا بالاخره لباس مخصوص پوشید و وارد اتاق تمیز شد. او با چشمانی متعجب به آرامی به سمت جعبه رفت تا از نزدیک آن را ببیند. قوطی پر از مواد سیارک بنو بود. لبخند بر لبهایش نشست. نمونه پیامی از طلوع منظومه شمسی است که او و همکارانش باید آن را به‌زودی رمزگشایی کنند.