5. září vyšla na světlo světa úžasná novina o objevu modulu Philae na povrchu jádra komety 67P/Čurjumov-Gerasimenko. Od jeho nešťastného přistání v listopadu 2014, kdy zůstal zaklíněn někde mezi skalisky, kladli jsme si tuto základní otázku – „Kde se nachází Philae. A najdeme jej vůbec?“ Určité představy o jeho poloze jsme měli. Díky rádiovému signálu mezi ním a Rosettou se podařilo poměrně přesně určit místo na povrchu, ale pouze v rozmezí desítek až stovek metrů. Samotný detailní snímek nebyl tak úplně náhodně pořízený. Jisté náznaky, kde se Philae nachází, byly zveřejněny už dříve, ovšem tito kandidáti, na kterých mohl být modul vyfotografován, museli počkat na definitivní potvrzení až do zmíněného začátku září. Chtělo to trpělivost a trochu toho štěstí. Přitom dřívější data ho vlastně také ukázala. Pojďme se podívat na příběh, který nám vypráví Laurence O’Rourke, který vedl kampaň vedoucí k nalezení Philae.

Detektivní příběh vedoucí k nalezení přistávacího modulu, nezahrnuje pouze pečlivé prohlížení snímků, pořízených sondou Rosetta. Vyžadoval sledování mnoha vyšetřovacích linií a spolupráci mnoha různých týmů. Známý je například příspěvek radarových dat experimentu CONSERT, který se nacházel na obou sondách (orbiteru i landeru). Díky němu bylo možné triangulací určit přibližnou polohu Philae. Svým dílem přispěly kamery CIVA, umístěné na přistávacím modulu, na jejichž snímcích se daly identifikovat základní orientační body okolního terénu. Zajímavým pomocníkem se ukázala také data, respektive časy, kdy se Philae občasně probouzel z hibernace a komunikoval s Rosettou, stejně jako data o době oslunění solárních panelů. Díky nim bylo možné si udělat představu o terénu v okolí, tedy zda je mezi Rosettou a Philae nějaká překážka bránící komunikaci, nebo ne, případně zda je překážka mezi Philae a Sluncem. No a nakonec zde byl další, i když ne poslední střípek mozaiky. Na snímcích povrchu byl nalezen jeden kandidát, který dával naději, že by mohlo jít o ztracený modul. O tomto kandidátovi vyšlo pojednání již 11. června 2015 a zmiňuje ho příspěvek Emily Baldwin v příspěvku The quest to find Philae, kde jsou připomínány snímky pořízené v prosinci 2014, na které upozornili P. Lamy a G. Faury z Laboratoire d’Astrophysique de Marseille.

Na konci příspěvku je zmíněno: „je pravděpodobné, že poloha Philae bude dále upřesněna, jakmile se modul probudí z hibernace, až bude oblast lépe nasvícena Sluncem. Poté bude moci probíhat další příjem dat a za pomoci experimentu CONSERT by mohla být dále zmenšena nepřesnost v určení polohy Philae.“ – A právě tady příspěvek na blogu končí a příběh hledání Philae začíná.

Poměrně překvapivě, již tři dny po napsání tohoto příspěvku, se Philae skutečně probudil a ozval se Rosettě. Tím nastalo velmi zajímavé období následované snahou přizpůsobit trajektorii obletů Rosetty tak, aby byla maximalizována možnost příjmu dat. (Souhrn ze všech kontaktů, které se podařily s modulem navázat, vyšel 9. července v příspěvku „Understanding Philae’s wake-up…“). Bohužel komunikační okna neumožnila navázat kontakt pomocí experimentu CONSERT, ovšem i data získaná pomocí běžného vysílače pomohla určit, že Philae se od posledního kontaktu na povrchu nepohnul. To bylo sice hezké, ovšem tím pádem další hledání ztraceného modulu vyžadovalo snímkování z mnohem menší vzdálenosti, než bylo například 20 km, kde se Rosetta tou dobou nacházela. Jenže vzrůstající aktivita komety vyhnala sondu ještě dál, protože orientační systém nebyl občas schopen rozeznat poletující prach od hvězd, které sloužily k zaměření sondy v prostoru.

Březen 2016 – začínáme zase hledat

S pokračováním příběhu se posouváme do března 2016, kdy konečně aktivita komety poklesla a mohla začít další pátrací kampaň. Bylo pochopitelně v zájmu všech Philae najít, neboť by bylo skvělé dát si do kontextu naměřená data a fotografie z landeru s tím, co by se podařilo zachytit z oběžné dráhy. A to pokud možno dřív, než skončí samotná mise Rosetty, naplánovaná na 30. září 2016. Pátrací kampaň ESA zahrnovala spolupráci střediska řízení mise Rosetty (MOC) s různými vědeckými týmy (SGS – pozemní vědecký tým, OSIRIS – tým kamery s vysokým rozlišením, DLR – řídící středisko landeru a CNES – vědecký operační a navigační tým).

Kampaň zahrnovala především snímání dvou kandidátů, z nichž, jak se věřilo, z jednoho se vyklube Philae. Na obrázku jde o kandidáty označené červeným a modrým rámečkem. Červený odpovídá dříve nalezenému kandidátu z prosince 2014 (Lamy & Faury), který nejenže se nachází uvnitř elipsy vymezené CONSERTem, ale zahrnuje lokaci s proměnlivým přísunem energie, odpovídá i možnostem viditelnosti z hlediska záznamů rádiových kontaktů a oslunění, ale především jsou zde i okolní skály, které vypadají podobně na snímcích kamer CIVA i OSIRIS. Modrý kandidát je posunut výrazně víc na jih a jako reálný by se jevil pouze v případě, že by se lander posunul během průletu komety přísluním v důsledku zvýšené aktivity komety.

I přes tyto dvě lokace a velké naděje, vkládané především do prvního kandidáta, stále zde byla možnost, že modul je někde úplně jinde, a přitom by se stále nacházel uvnitř CONSERTem vymezené elipsy. Podle návrhu P. Muñoze z oddělení letové dynamiky MOC byla strategie hledání naplánována tak, aby probíhalo snímání vymezené elipsy z různých úhlů. Tím by se vyloučilo případné blokování Philae nějakou skálou z jednoho úhlu pohledu a zároveň to zajišťovalo dívat se na stejná místa pod různým osvětlením.

V detailech je krása, aneb plánovaní snímků a analýza dat

V této fázi vás jistě napadá, že na podobný nápad by nemusel přijít specialista letové dynamiky. To ale nezní fér. Ve skutečnosti se týmy expertů na letovou dynamiku zabývaly především výpočty, kdy přesně snímat vymezenou elipsu tak, aby oblasti kandidátů byly zrovna i dobře osvětleny. A to už vyžadovalo mít přesná data o poloze Rosetty i 3D modely jádra a vše pečlivě vyhodnotit. Na výpočtech se podílely v březnu až červnu týmy MOC (P. Muñoz) a CNES SONC (E. Jurado, R. Garmier, A. Charpentier); v období od července do září tým SGS (B. Geiger). 3D analýzy uvedené níže publikoval CNES/ SONC (MOC Flight Dynamics, P. Muñoz) a SGS (B. Geiger).

Volba oběžné dráhy Rosetty v tomto období musela být kompromisem mezi snahou hledat Philae a naplnit vědecký program, přičemž bylo nutné vynechat období, kdy byl malý úhel mezi Sluncem a horizontem (pod 20°) , kdy bylo třeba manévrovat s Rosettou, nebo když byla chyba v zaměření kamer příliš veliká ( o důvodech později). Další omezení pak čekala operátory s blížícím se koncem mise v srpnu a září, když už byla dráha sondy fixována v prostoru z důvodu příprav na navedení Rosetty na povrch komety.

Když už bylo známo, kdy přesně se bude snímkovat, bylo nutno aktualizovat zaměření sondy, aby se kamery přesně trefily na místo kandidátů. Dále bylo třeba připravit příkazy pro detailní kameru OSIRIS a nakonec se příkazy musely předat do řídícího centra, které je poslalo na palubu sondy. Po napjatém čekání a stažení snímků probíhala analýza, na které se podílely týmy OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System), SGS (Science Ground Segment) a SONC (Science Operations and Navigation Center).

Když blízko není dost blízko

Animovaný GIF níže ukazuje snímek z 5. března 2016 ze vzdálenosti 18 km, který je zaměřen na oblast kolem červeného kandidáta. Dobře ilustruje problémy, s kterými se týmy hledačů musely potýkat. Okolo kandidáta vidíme velký převislý útes a velký ledovokamenný útvar přibližně trojúhelníkového tvaru, který dostal přezdívku ‘nose rock’ (skála vypadá jako nos). Kromě toho je poblíž také okraj útvaru propadliny Hatmehit.

Výsledkem umístění červeného kandidáta mezi uvedenými útvary bylo, že jej prakticky nešlo vyfotografovat, jak vidíme na níže uvedené animaci.

Ze vzdálenosti 18 km měly snímky rozlišení 36 cm na obrazový bod, takže Philae by na nich zabíral asi tři pixely. Je jasné, že z této vzdálenosti bylo nemožné lander identifikovat. Dokonce i o pár kilometrů blíže (například jako na druhém snímku v našem článku s barevnými čtverečky), ze vzdálenosti 15 km, přistávací modul se jeví jen jako jasná tečka. Z toho opravdu nelze určit, zda jde o Philae či nikoliv. V této fázi bylo rozhodnuto, že pouze pokud budou pořizovány snímky ze vzdálenosti menší než 10 km, máme šanci na nich bezpečně lander rozlišit.

Když ani vysoký lesk nevede ke zlatu, aneb vyřazení modrého podvodníka

S tím, jak se Rosetta přibližovala jádru komety, rostlo i rozlišení pořizovaných snímků. To umožnilo detailnější pohled na oblasti obou kandidátů. Ke vší smůle to ale vedlo i k objevení se nových kandidátů. Ovšem 21. července se podařilo pořídit detailní snímky, díky kterým jsme mohli nade vší pochybnost vyřadit modrého kandidáta! Ukázalo se, že jde o kus ledu na okraji velkého kamene. Postupně se podařilo vyřadit i další podvodníky, kteří se chtěli ucházet o to být Philae. Takové vyřazené kandidáty vidíme například na dalším obrázku.

Mezitím se začal zajímavě vyvíjet červený kandidát. 25. května se podařilo pořídit snímky, kdy bylo vidět za okraj překážejícího nosu do prohlubně pod útesem a podařilo se zde najít útvar připomínající přistávací modul s nohou a patkou (snímek níže). Podobné útvary byly pozorovány i na snímku 1. června a 6. srpna, pokaždé z různého úhlu.

Přesto ještě nebylo jasné, zda některý ze snímků zobrazuje Philae. Na snímcích bylo přeci jen příliš mnoho ledových struktur, které tvořily linie připomínající nohy a tělo modulu. Vidíme je vyznačeny na dvou snímcích z 25. května. Vzhledem k přetrvávající nejistotě a stále ne úplně dostačujícímu rozlišení snímků se pokračovalo v hledání s využitím dalších možností.

Skládáme dílky puzzle dohromady

Přestože hlavní kampaň byla zaměřena na pořizování a prohlížení snímků, pokračoval i průzkum dalších možností, jak polohu ztraceného modulu upřesnit:

• ověřování nejlepších míst ke snímání podle osvětlení a viditelnosti zajímavých míst na 3D modelu
• porovnávání snímků OSIRIS s 3D modelem (viz obrázek napravo)
• aktualizace digitálního modelu terénu v oblasti elipsy určené experimentem CONSERT k lepšímu srovnání se snímky včetně těch z landeru
• porovnání snímků z kamer CIVA s vysoce detailními snímky OSIRIS
• porovnání rádiové a vizuální viditelnosti v oblastech různých kandidátů a hledání, který nejlépe sedí na zachycená data jako například u modrého kandidáta (obrázek níže)
• vytvoření mapy míst v okolí červeného kandidáta, která jsou a nejsou vidět na snímcích a porovnání s rádiovou viditelností a osvětlením od Slunce (viz obrázek níže). Například obrázek (c) ukazuje dobrou korelaci (souhlas)
• počátek studie zaměřené na vyhledání kandidátů pomocí počítače (probíhalo od roku 2015)

Jak vidíte, čím více se pátrání stáčelo od modrého kandidáta k červenému, tím více bylo jasné, kam zaměřit detailní snímkování kamerou OSIRIS na konci srpna 2016. Úkol zněl podívat se na „ledové nohy“ z různých úhlů a sledovat, jak se pohybují vůči okolí. Tím snadno odlišíme útvar z ledu na povrchu od umělého lidského výtvoru „v prostoru“.

Tak blízko a přitom tak daleko

S tím jak se Rosetta v srpnu a září rychle blížila k povrchu komety a s tím, jak se rychle blížil konec mise, klesal počet příležitostí k vyfotografování Philae. A nejen kvůli časovému presu. V tomto období se červený kandidát nacházel stále ve stínu útesu. Z toho důvodu bylo snímkování plánováno tak pozdě, jak to jen šlo, aby se světlo z okolí co nejvíce odráželo do tmy pod útesem. Ukázalo se to jako dobré řešení a bylo to použito při snímkování na konci srpna.

Na obtížnosti přidával trojúhelníkový kamenný nos, který se snažil rychle zakrýt dutinu, ve které se kandidát nacházel. Během srpnových a zářijových přeletů se sonda pohybovala při pohledu od Philae směrem od jihu k severu. Čím více jsme situaci studovali, tím více bylo zřejmé, že 3D model není ideální nástroj na plánování snímkování, protože skála ve tvaru nosu byla na modelu pěkně hladká, zatímco v reálu byla pěkně hrbolatá. Kdybychom zvolili snímkování v pravou chvíli, mohli bychom dokonce vidět skrz na místa, která podle modelu měla být zakryta (viz obrázek níže).

Ke 30. srpnu snímkovací kampaň pomalu končila, protože snímky z 21. a 24. srpna ukázaly, že skála v popředí blokuje výhled za ni. Přesto, pokračuje autor příběhu Laurence O’Rourke, „stále jsem byl přesvědčen, že při vhodném načasování by mohl být přistávací modul viditelný. Výsledkem bylo, že jsem požádal manažera mise P. Martina a vedoucího vědeckého týmu M. Taylora a také tým hledající Philae, aby naplánovali ještě dva pokusy o snímkování 2. a 5. září. Přesvědčil jsem je na základě myšlenky, že když se ve výhledu kolem špičky nosu posuneme, mohli bychom na kandidáta dohlédnout v mezeře tvořené nějakou proláklinou na překážející skále. K mému velkému štěstí kolegové mému naléhání podlehli a snímkování naplánovali.“

To nejlepší na konec

2. září umožnilo zorné pole Rosetty nahlédnout nám kolem nejbližšího bodu na okraji „nosu“, a to vše ze vzdálenosti pouhého 2,7 km. Díky tomu mohly být pořízeny extrémně detailní snímky s rozlišením 5 cm/pixel. Jakmile byly snímky 4. září staženy na Zemi, první, kdo se na ně díval, byla Cecilia Tubiana z týmu OSIRIS. Prohlížela snímky a pátrala po červeném kandidátovi v místech pod útesem. A byl tam, schovaný v rohu obrázku!

Po 22 měsících od přistání a spolu s kometou 680 miliónů kilometrů od nás, jsme konečně znali přesné místo posledního dosednutí modulu Philae. Zpětně jsme mohli prohlížet dříve pořízené snímky a jednoznačně bylo vidět struktury přistávacího modulu, včetně nohy trčící do prostoru. Červený kandidát, původně zmíněný v práci Lamy a Fauryho v roce 2015 se ukázal být potvrzen jako ten pravý Philae.

Podstatné bylo, že Philae byl nalezen uvnitř elipsy vymezené experimentem CONSERT a v poloze odhadnuté týmem landeru podle snímků okolí. Obrázek zároveň potvrdil, že Philae se od přistání nijak významně nepohnul.

Fantastický přínos zmíněné fotografie tkví především v tom, že nyní je možné dát do širšího kontextu veškerá data, která přistávací modul nasbíral, ale především jde o úžasný detektivní příběh. A pro veřejnost je určitě podstatné, že jsme tento modul velikosti automatické pračky mohli prezentovat živě ještě před koncem mise Rosetty na ledové skále nějakých 5 km veliké, alias na jádru komety nějakých půl miliardy kilometrů od nás.

O fous…

Byla to opojná chvíle, ale určitě jste si už od počátku všimli, jak blízko jsme byli od dalšího neúspěchu. Místo aby byl přistávací modul pěkně umístěn uprostřed snímku, což jsme také měli v plánu, modul nám utekl úplně k okraji snímku. Tuto chybu v zaměření jsme původně dávali na vrub kometě. Předpokládali jsme, že v důsledku velmi blízkých průletů kolem jádra komety byla trajektorie sondy ovlivněna její slabou gravitací natolik, že došlo k pozměnění zaměření kamery oproti plánu. Také se mohl uplatnit vliv prachu a plynu uvolňovaného kometou. Tým starající se o přesné plánování trajektorie a nasměrování kamery obvykle odvedl svou práci bravurně, ale v případě snímku z 2. září byla použita data stará 36 hodin. To vedlo k chybě zaměření kolem 50 metrů. Takže to, že Philae sice nebyl uprostřed záběru, ale zároveň nebyl úplně mimo záběr, je perfektní vizitkou práce navigačního týmu.

A jak dopadl pokus z 5. září? Tušíte správně. Opět jsme se netrefili. Ovšem tentokrát byla navigační chyba větší, protože šlo o ještě bližší průlet a Philae byl prostě mimo uzounké zorné pole teleobjektivu kamery OSIRIS.

Je pozoruhodným dílem štěstí a píle, že vidíme přistávací modul v celé jeho kráse a detailu na snímku z 2. září, což byl poslední úspěšný pokus o vyfotografování Philae na povrchu komety. Jaký to krásný závěr kampaně: napětí až do úplného konce. Zakončuje své povídání Laurence O’Rourke.

Nyní, po měsících intenzivní práce všech týmů podílejících se na hledání Philae je zřejmé, že pouze díky neutuchajícímu nadšení a množství pečlivé práce se podařilo vyfotografovat Philae ještě před tím, než Rosetta dosedla 30. září 2016 na povrch komety.

Zdroj informací:

http://blogs.esa.int/rosetta/2016/09/28/the-story-behind-finding-philae/