Rozszyfrowanie wnętrza asteroidy może pomóc w kierowaniu misjami odchylania asteroidy

NASA uderzyła w środek celu pod koniec września za pomocą DART, testu podwójnego przekierowania asteroidy, który skierował statek kosmiczny bezpośrednio w serce pobliskiej asteroidy. Jednokierunkowa misja kamikaze uderzyła w kosmiczne skały wielkości boiska i z powodzeniem zresetowała orbitę asteroidy. DART był pierwszym testem strategii obrony planety, pokazującym, że naukowcy mogą odbić asteroidę zmierzającą do Ziemi.

Naukowcy z MIT mają teraz narzędzie, które może poprawić cel przyszłych misji nakierowanych na asteroidy. Zespół opracował metodę mapowania wewnętrznej struktury asteroidy lub rozkładu gęstości, opartą na tym, jak zmienia się rotacja asteroidy w miarę zbliżania się do masywniejszych ciał, takich jak Ziemia.

Wiedza o rozmieszczeniu gęstości w asteroidzie może pomóc naukowcom zaplanować najskuteczniejszą obronę. Na przykład, jeśli asteroida została wykonana ze stosunkowo lekkiego i jednolitego materiału, statek kosmiczny typu DART mógłby celować w inny sposób, niż gdyby odbijał asteroidę o gęstszym i mniej zrównoważonym wnętrzu.

„Jeśli znasz rozkład gęstości asteroidy, możesz trafić w nią dokładnie we właściwym miejscu, aby się oddaliła” – mówi Jack Dinsmore-22, który opracował nową technikę mapowania asteroid jako student fizyki na MIT.

Zespół chętnie zastosuje tę metodę do asteroidy Apophis, asteroidy znajdującej się w pobliżu Ziemi, co do której szacuje się, że stwarza znaczne ryzyko w przypadku uderzenia. Naukowcy od co najmniej stu lat wykluczają możliwość kolizji podczas następnego lotu Apophisa. Poza tym ich oczekiwania stają się niejednoznaczne.

„Apophis znajdzie się poza Ziemią w 2029 roku, a naukowcy pokonali go podczas kilku kolejnych spotkań, ale nie możemy go usunąć na zawsze” – mówi Dinsmore, obecnie doktorant na Uniwersytecie Stanforda. „Więc dobrze jest zrozumieć naturę tej konkretnej asteroidy, ponieważ jeśli kiedykolwiek będziemy musieli zmienić jej orientację, ważne jest, aby zrozumieć, z czego jest zrobiona”.

Dinsmore i Julien de Wit, adiunkt w Departamencie Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnej (EAPS) w MIT, szczegółowo opisali swoją nową metodę w badaniu, które pojawiło się dzisiaj w miesięczniku „Comiesięczne uwagi Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego”.

gotowana vs surowa przędza

Nasiona opracowanej przez zespół metody mapowania asteroid wyrosły z zajęć Dinsmore na MIT, które de Wit studiował w zeszłym roku. Rozdział 12.401 (Podstawy nauki planetarnej) przedstawia podstawowe zasady i mechanizmy powstawania planet, asteroid i innych ciał Układu Słonecznego. W ostatnim projekcie Dinsmore zbadał, jak zachowuje się asteroida podczas bliskiego spotkania.

Na zajęciach napisał kod symulujący różne kształty i rozmiary asteroid, a także zmiany dynamiki orbity i rotacji pod wpływem przyciągania grawitacyjnego masywniejszego obiektu, takiego jak Ziemia.

„Na początku próbowałem tylko zapytać, co się dzieje, gdy asteroida mija Ziemię? Czy w ogóle reagujesz? Dinsmore wspomina, ponieważ nie byłem pewien”. kształt i właściwości fizyczne planetoidy.

Ta wstępna świadomość nasuwała kolejne pytanie: czy dynamika bliskiego spotkania asteroidy może być wykorzystana do przewidzenia nie tylko jej kształtu i rozmiaru, ale także jej budowy wewnętrznej? Aby uzyskać odpowiedź, Dinsmore kontynuował projekt z de Wit, poprzez program MIT Undergraduate Research Opportunities Program (UROP), który umożliwia studentom prowadzenie oryginalnych badań z członkiem wydziału.

On i De Witt zagłębili się w dynamikę bliskiego spotkania, pisząc bardziej złożony kod, którego używali do symulacji zoo różnych asteroid, z których każda ma inny rozmiar, kształt, skład wewnętrzny lub rozkład gęstości. Następnie przeprowadzili symulację do przodu, aby zobaczyć, jak rotacja każdej asteroidy powinna oscylować lub oscylować podczas przechodzenia w pobliżu obiektu o określonej masie i grawitacji.

„To jest podobne do tego, jak odróżnić surowe jajko od jajka ugotowanego” – mówi de Wit. „Jeśli obrócisz jajko, jajko reaguje i obraca się inaczej w zależności od jego wewnętrznych cech. To samo dotyczy asteroidy podczas bliskiego spotkania: możesz zrozumieć, co dzieje się w środku, po prostu patrząc, jak reaguje na silne siły grawitacyjne doświadcza w locie.”

Zamknij mecz

Zespół prezentuje swoje odkrycia w nowym „zestawie narzędzi” oprogramowania, który nazwali AIME, do mapowania wnętrza planetoid z Encounters (skrót ten tłumaczy się również jako „miłość” w języku francuskim). Oprogramowanie można wykorzystać do zrekonstruowania rozkładu gęstości wewnętrznej planetoidy na podstawie obserwacji zmian jej rotacji podczas bliskiego spotkania.

Naukowcy twierdzą, że jeśli naukowcy będą w stanie wykonać bardziej szczegółowe pomiary asteroid i ich dynamikę rotacji podczas bliskich spotkań, pomiary te mogą zostać wykorzystane do ulepszenia rekonstrukcji wewnętrznych asteroid AIME.

Mówią, że ich największa szansa może nadejść wraz z Apophisem. Podczas zbliżających się bliskich spotkań de Witt i Dinsmore mają nadzieję, że astronomowie skierują swoje teleskopy na kosmiczną skałę, aby zmierzyć jej rozmiar, kształt i ewolucję rotacyjną w miarę jej przechodzenia. Następnie mogą wprowadzić te pomiary do AIME, aby znaleźć dopasowanie – symulowaną asteroidę o tym samym rozmiarze, kształcie i dynamice spinu co Apophis, co również odnosi się do określonego rozkładu gęstości wewnętrznej.

„Następnie za pomocą AIME możesz opublikować mapę gęstości, która najprawdopodobniej przedstawia wnętrze Apophis” – mówi Dinsmore.

„Zrozumienie wewnętrznych cech asteroid pomaga nam zrozumieć, w jakim stopniu bliskie spotkania mogą stanowić problem, jak sobie z nimi radzić, a także gdzie powstały i jak się tu dostały” – dodaje de Witt. „Teraz dzięki takim ramom istnieje nowy sposób na zajrzenie do wnętrza asteroidy”.

Badania te były częściowo wspierane przez biuro MIT UROP.