Nie jest to takie proste, jak się wydawało: szczątki misji DART utrudniają obronę Ziemi

We wrześniu 2022 roku, gdy sonda kosmiczna NASA DART rozbiła się o Dimorphosa , mały księżyc asteroidy Didymos, nie tylko zmieniła swoją orbitę zgodnie z planem, ale także wywołała potężny obryw skalny o pędzie ponad trzykrotnie większym od pędu samej sondy.

Oznacza to, że chociaż misja ta z powodzeniem wykazała, że ​​energia kinetyczna uderzeń, takich jak DART, może rzeczywiście zmienić tor lotu asteroidy, to skały wyrzucone w wyniku samego uderzenia mogą również wytwarzać siły w nieoczekiwanych kierunkach, co może znacznie utrudnić próby odchylenia toru lotu. Innymi słowy, odchylenie toru lotu asteroidy poprzez uderzenie kinetyczne jako forma obrony planety okazało się znacznie bardziej złożonym zadaniem, niż oczekiwano.

Odkrycie, którego dokonał zespół astronomów pod kierownictwem University of Maryland, zostało właśnie opublikowane w czasopiśmie Planetary Science Journal.

„Udało nam się zmienić tor lotu asteroidy, przesuwając ją z jej orbity” – mówi Tony Farnham, główny autor badania. „Nasze badania pokazują jednak, że chociaż bezpośrednie uderzenie sondy DART spowodowało tę zmianę, wyrzucone skały nadały asteroidzie dodatkowego „kopa”, co najmniej równie silnego. To czynnik zmieniający fizykę, który należy uwzględnić przy planowaniu tego typu misji”.

26 września 2022 roku sonda kosmiczna NASA DART (Double Asteroid Redirection Test) wykonała bezprecedensowy manewr: celowo zderzyła się z Dimorphosem, małym satelitą krążącym wokół asteroidy Didymos. Głównym celem misji było zademonstrowanie wykonalności techniki „uderzania kinetycznego” w celu zmiany toru lotu asteroid. Zderzenie, które miało miejsce z prędkością ponad 22 000 kilometrów na godzinę, zakończyło się ogromnym sukcesem: orbita Dimorphosa wokół Didymosa została skrócona o 32 minuty, znacznie przekraczając ustalony wcześniej próg powodzenia wynoszący 73 sekundy. Ludzkość po raz pierwszy udowodniła, że ​​jest w stanie zmienić tor lotu ciała niebieskiego.

Jednak Farnham i jego zespół właśnie odkryli, że znaczna część tej zmiany orbity nie wynikała z bezpośredniego uderzenia statku, ale z „odrzutu” materiałów wyrzuconych podczas zderzenia, który zapewnił dodatkowy impuls, „kosmiczny impuls” niemal tak silny, jak samo uderzenie DART . Wyrzucony materiał działał w efekcie jak swego rodzaju „dodatkowy” materiał pędny, popychając asteroidę z dużą siłą w kierunku przeciwnym do wyrzucenia.

Ale jak naukowcom udało się rozwikłać to złożone zjawisko? Klucz tkwi w małym, ale niezbędnym towarzyszu podróży DART-a: LICIACube. Ten maleńki CubeSat, opracowany przez Włoską Agencję Kosmiczną (ASI), oddzielił się od DART-a 15 dni przed uderzeniem i strategicznie ustawił się w najlepszej pozycji do obserwacji tego zjawiska. W ten sposób, z odległości 56,7 kilometra, zaledwie 165 sekund po zderzeniu, LICIACube zaczął przesyłać na Ziemię bezprecedensową serię zdjęć ogromnego pióropusza materii wyrzuconej w miejscu uderzenia.

Dzięki tym zdjęciom zespół astronomów był w stanie śledzić ruch 104 głazów o promieniach od 0,2 do 3,6 metra, które oddalały się od Dimorphosa z prędkością do 52 metrów na sekundę (około 187 kilometrów na godzinę). Analizując te trajektorie w trzech wymiarach, Farnham i jego współpracownicy dokonali zaskakującego odkrycia: głazy nie były rozrzucone losowo. Zamiast tego grupowały się w dwa odrębne skupiska, z zauważalnym brakiem materiału w innych obszarach. „Zauważyliśmy, że głazy nie były rozrzucone losowo w przestrzeni” – wyjaśnia Farnham. „Zamiast tego grupowały się w dwie zupełnie odrębne grupy, z brakiem materiału w innych miejscach, co oznacza, że ​​działo się tam coś nieznanego”.

Największa bryła szczątków, stanowiąca około 70% zmierzonych obiektów, została wyrzucona na południe z dużą prędkością i pod niewielkim kątem do powierzchni asteroidy. Naukowcy wysuwają hipotezę, że te głazy prawdopodobnie pochodziły z konkretnych źródeł, być może z większych głazów na Dimorphos, które zostały roztrzaskane przez panele słoneczne sondy DART tuż przed uderzeniem jej głównej części w powierzchnię. Jessica Sunshine, współautorka badania, sugeruje, że panele słoneczne sondy DART mogły uderzyć w dwa duże głazy na asteroidzie, nazwane Atabaque i Bodhran, a wyrzucona na południe bryła materiału mogła składać się z fragmentów Atabaque, skały o promieniu 3,3 metra.

Sunshine, który był również zastępcą głównego badacza misji Deep Impact NASA z 2005 r. na kometę Tempel 1, porównał wyniki tej misji z wynikami DART.

„Deep Impact” – wyjaśnia badacz – „uderzył w powierzchnię złożoną zasadniczo z bardzo małych, jednorodnych cząstek, więc jego wyrzut był stosunkowo płynny i ciągły. Jednak tutaj widzimy, że DART uderzył w kamienistą powierzchnię usłaną dużymi głazami, co spowodowało chaotyczne, włókniste struktury we wzorcach wyrzutu”.

Ta fundamentalna różnica – powierzchnia zbudowana z drobnych cząstek, a powierzchnia skalista i kamienista – jest kluczowa dla zrozumienia, jak różne typy ciał niebieskich reagują na uderzenia. To jak porównanie kuli uderzającej w worek z piaskiem z kulą uderzającą w mur: siła uderzenia i rozproszenie materiału są zupełnie inne. Ta informacja, jak mówi Sunshine, „jest kluczowa dla zapewnienia powodzenia przyszłej misji obrony planet”.

Pęd (siła ruchu) głazów wyrzuconych w wyniku uderzenia DART był zasadniczo prostopadły do ​​trajektorii statku kosmicznego. Oznacza to, że oprócz zmiany orbity Dimorphosa, mógł on nachylić jego płaszczyznę orbity nawet o jeden stopień i potencjalnie spowodować chaotyczne wahania asteroidy w przestrzeni. Nie trzeba dodawać, że w przypadku misji, której celem jest precyzyjne odchylenie toru lotu, każde nieoczekiwane wahanie mogło mieć kluczowe znaczenie.

Prace tego zespołu nad zrozumieniem wpływu odłamków będą kluczowe dla misji Hera Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), której dotarcie do układu Didymos-Dimorphos planowane jest na 2026 rok. Hera, która wraz z DART jest częścią współpracy AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment), ma na celu szczegółowe zbadanie układu podwójnego Didymos po uderzeniu w 2022 roku, ocenę jego właściwości wewnętrznych oraz dokładne zmierzenie skutków zderzenia z DART. Misja Hera wyśle ​​własne satelity CubeSat, Milani i Juventas, w celu zebrania danych spektralnych powierzchni oraz zbadania podpowierzchniowej i wewnętrznej struktury asteroidy.

Krótko mówiąc, badania Uniwersytetu Maryland podkreślają wagę uwzględnienia wszystkich zmiennych przy planowaniu przyszłych misji odchylania toru lotu asteroidy. Nie wystarczy przewidzieć głównego uderzenia; konieczne jest zrozumienie fizyki wyrzutu, rozmiaru i składu wyrzuconego materiału oraz tego, jak może to wpłynąć na trajektorię i rotację asteroidy.

„Gdyby asteroida zmierzała w naszym kierunku” – podsumowuje Sunshine – „i wiedzielibyśmy, że musimy przesunąć ją o określoną odległość, aby uniknąć uderzenia w Ziemię, wszystkie te subtelności stają się bardzo, bardzo ważne. Można to porównać do gry w kosmiczny bilard. Moglibyśmy nie trafić w cel, jeśli nie weźmiemy pod uwagę wszystkich zmiennych”.