NASA Double Asteroid Redirection Test (DART) był pierwszą próbą Ziemi wystrzelenia statku kosmicznego w celu celowego zderzenia i odchylenia asteroidy jako techniki obrony planetarnej. 26 września 2022 roku sonda DART zderzyła się z małą asteroidą-księżycem o nazwie Dimorphos, która krąży wokół większej asteroidy o nazwie Didymos. Żadna asteroida nie stanowiła zagrożenia dla Ziemi, ale reprezentowały one podobne ciała niebieskie, które pewnego dnia mogą zbliżyć się i zagrozić planecie.
W czterech artykułach opublikowanych w czasopiśmie Nature 1 marca 2023 r. zespół DART – w skład którego wchodzą astronomowie z University of Maryland – szczegółowo opisał pomyślne uderzenie DART, możliwą fizykę stojącą za kolizją, obserwacje powstałego szczątków wyrzuconych z asteroidy i obliczenia zmian orbity Dimorphosa. Odkrycia potwierdzają wykonalność przekierowania obiektów bliskich Ziemi, takich jak asteroidy, jako środka obrony planetarnej.
„Nie możemy jeszcze powstrzymać huraganów ani trzęsień ziemi, ale w końcu dowiedzieliśmy się, że możemy zapobiec uderzeniu asteroidy, mając wystarczająco dużo czasu, ostrzeżeń i zasobów” – powiedział Derek Richardson, profesor astronomii na UMD i kierownik grupy roboczej DART. „W odpowiednim czasie stosunkowo niewielka zmiana orbity asteroidy spowodowałaby, że ominęłaby ona Ziemię, zapobiegając zniszczeniom na dużą skalę na naszej planecie”.
Misja DART bardziej udana niż oczekiwano
Richardson i jego współpracownicy z Wydziału Astronomii UMD, profesor Jessica Sunshine i główny naukowiec Tony Farnham, odegrali kluczową rolę w badaniu skuteczności misji DART polegającej na odchyleniu asteroidy od ścieżki prowadzącej do Ziemi.
Farnham odegrał kluczową rolę w obliczeniu warunków geometrycznych i wymiarów potrzebnych do dokładnej interpretacji obserwacji zdarzenia. Korzystając z danych uzyskanych od inżynierów statków kosmicznych oraz z Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical Navigation (DRACO), Farnham pomógł ustalić, na co patrzy statek kosmiczny DART, gdy zbliżał się do Dimorphos.
„Kiedy mamy do czynienia z obserwacjami ze statku kosmicznego, musimy zrozumieć, gdzie w kosmosie znajduje się statek kosmiczny w stosunku do asteroidy, Słońca i Ziemi oraz gdzie jest skierowany w danym momencie” – wyjaśnił Farnham. „Dzięki tym informacjom mamy kontekst, aby snuć domysły i oceniać naszą pracę”.
Dzięki pracy Farnhama zespół DART uzyskał ważne informacje na temat ogólnego harmonogramu uderzenia, lokalizacji i charakteru miejsca uderzenia oraz wielkości i kształtu Dimorphos. Ku zaskoczeniu zespołu, odkryli, że mała asteroida jest spłaszczoną sferoidą lub lekko spłaszczonym ciałem przypominającym kulę, zamiast bardziej wydłużonego kształtu, jakiego oczekiwano na podstawie teoretycznych przewidywań.
„Zarówno Didymos, jak i Dimorphos mają bardziej gąbczasty kształt – bardziej przypominają M&M z masłem orzechowym, a mniej M&M z orzeszkami ziemnymi – niż się spodziewaliśmy” – powiedziała Sunshine. „Ten kształt kwestionuje również niektóre z naszych uprzedzeń dotyczących formowania się takich asteroid i komplikuje fizykę stojącą za DART, ponieważ skłania nas do ponownego przemyślenia naszych obecnych modeli planetoid podwójnych”.
Oprócz nieregularnego kształtu Dimorphos, naukowcy zauważyli również, że powierzchnia asteroidy była wyraźnie kamienista i blokowa. Ta jakość geomorficzna prawdopodobnie wpłynęła na tworzenie się kraterów, ilość i właściwości fizyczne wyrzutu (odłamki wyrzucane z uderzeń) oraz pęd uderzenia podobnego do DART.
Sunshine, która wcześniej pełniła funkcję zastępcy głównego badacza w kierowanej przez UMD misji NASA Deep Impact, zauważyła, że te różne cechy tekstury doprowadziły do różnych skutków zderzenia – co ma kluczowe znaczenie dla oceny, jak skutecznie statek kosmiczny DART przekierował Dimorphos z jego pierwotnej orbity.
„Misja Deep Impact zderzyła się z kometą, której powierzchnia składa się z małych, w większości jednolitych ziaren” – wyjaśnił Sunshine. „Głębokie uderzenie skutkowało bardziej jednolitym wachlarzem gruzu niż włókniste struktury widoczne po zderzeniu DART-a z kamienistym terenem. Jak się okazuje, ruch wyrzutu spowodowanego przez DART miał ogromny wpływ na powodzenie misji DART”.
Dodatkowe pchnięcie szczątków po uderzeniu skróciło orbitę Dimorphosa
Statek kosmiczny DART nie był jedynym źródłem pędu w zderzeniu z Dimorphos; dodatkowe pchnięcie zostało spowodowane przez gwałtowne wyrzucanie gruzu, gdy statek kosmiczny uderzył w maleńki księżyc asteroidy.
„W wyniku zderzenia wyrzucono tak dużo szczątków, że Dimorphos został odepchnięty około 3,5 razy skuteczniej w porównaniu z uderzeniem samego statku kosmicznego DART” — wyjaśnił Richardson, który pomógł obliczyć i zweryfikować pęd przeniesiony między statkiem kosmicznym DART a Dimorphosem.
Według Farnhama, który obliczył kierunek wyrzucenia asteroidy, odkrycie to zostało potwierdzone, gdy zespół zmierzył, że orbita asteroidy zmieniła się bardziej niż bardziej konserwatywne oczekiwania zespołu. Różnica w okresach orbitalnych lub czas potrzebny obiektowi niebieskiemu na wykonanie jednego obrotu wokół innego obiektu wskazuje, że orbita Dimorphos wokół Didymosa uległa zmianie.
„Przed zderzeniem spodziewaliśmy się, że uderzenie skróci orbitę Dimorphosa tylko o około 10 minut” – powiedział Farnham. nieco ponad 30 minut. Innymi słowy, wyrzucona materia działała jak dżet, który wypchnął księżyc jeszcze dalej z jego pierwotnej orbity”.
Kontynuacja misji Hera
Misja DART stanowi ważny pierwszy krok w kierunku opracowania odpowiednich strategii obrony planetarnej przed obiektami bliskimi Ziemi, takimi jak asteroidy.
Zespół DART przewiduje, że nadchodząca misja Hera Europejskiej Agencji Kosmicznej, która rozpocznie się w październiku 2024 r., pozwoli odkryć więcej informacji na temat miejsca uderzenia DART. Do 2026-27 roku sonda Hera ponownie odwiedzi układ podwójny asteroid zawierający Dimorphos i Didymos i po raz pierwszy oceni wewnętrzne właściwości obu asteroid, dostarczając bardziej szczegółową analizę wpływu uderzenia DART na układ i geofizykę Układu Słonecznego tworzenie.
„Wciąż niewiele wiemy o Dimorphos i Didymos, ponieważ widzieliśmy tylko z zewnątrz” – powiedział Sunshine. „Jaka jest ich wewnętrzna struktura? Czy istnieją między nimi różnice w porowatości? Oto rodzaje pytań, na które musimy odpowiedzieć, aby naprawdę zobaczyć, jak skuteczne są nasze odchylenia i jak ciała niebieskie, takie jak te asteroidy, tworzą się i ewoluują”.
Podczas gdy misja Hera jest wciąż w fazie budowy, badania zarówno DART, jak i jego poprzedników, takich jak Deep Impact, nadal dostarczają wielu informacji na temat tego, w jaki sposób ludzie mogą opracować dodatkowe sposoby obrony Ziemi przed zbliżającymi się asteroidami i kometami. Dzięki dziedzictwu inicjatyw kinetycznych testów uderzeniowych i badań obrony planetarnej, prowadzonych przez nieżyjącego już wybitnego uniwersyteckiego profesora astronomii Mike’a A’Hearn’a, astronomowie z UMD są wyjątkowo wyposażeni do oceny i rozwoju eksperymentów związanych z uderzeniami w skali planetarnej. Richardson, Sunshine, Farnham i ich współpracownicy mają nadzieję uhonorować pracę, która doprowadziła do powstania DART, kontynuując pomaganie jako pionierzy nowych metod łagodzenia zagrożenia asteroidami.
„Te dokumenty to po prostu pierwsze opublikowane wyniki misji DART” – powiedział Farnham. „Ale obecnie trwają dziesiątki badań, które pomogą nam lepiej zrozumieć wpływ i implikacje dla obrony planetarnej, jednocześnie odkrywając bardziej interesujące zjawiska”.