24 листопада 2021 року в космос має стартувати космічний апарат NASA DART, який випробує на практиці один із методів захисту Землі від астероїдів - кінетичний таран. Вчені очікують, що зіткнення апарату з 160-метровим астероїдом із системи Дідім змінить орбіту останнього. Розповідаємо, як влаштовані DART і його місія, і які ще є способи вберегти Землю від небесного апокаліпсису.
На поверхні різних тіл Сонячної системи є ударні кратери, сліди зіткнень з іншими космічними об'єктами. На Землі вони теж є, близько двохсот, просто їх гірше видно - затягувати рани нашій планеті допомагає інтенсивна ерозія. Найстарішому земному кратерові - Яррабуббі - 2,2 мільярда років. У наше століття людство поки що лише спостерігає боліди і падіння метеоритів, які не породжують великі катаклізми, хоча можуть наробити чималий переполох.
Вважається, що бомбардування Землі великими тілами в ранній період її існування могло сприяти зародженню життя, оскільки глиби, що падають з неба, поставляли на молоду планету водяний лід і органічні молекули. Однак з розвитком життєвих форм на Землі все змінилося - небесні бомбардування могли бути для них смертельні, як це було з астероїдом, після якого в Мексиканській затоці з'явився кратер Чіксулуб. Сьогодні прийнято вважати, що саме падіння тіла діаметром більше десяти кілометрів викликало мел-палеогенове масове вимирання, в ході якого загинули динозаври. Подібні катаклізми, за оцінками дослідників, можуть відбуватися раз на 250-500 мільйонів років. Чіксулубу йде 67-й мільйон.
Щоб відрізняти небесні тіла, здатні вкинути нашу планету в хаос, від нешкідливих астероїдів і комет, астрономи ввели поняття «потенційно небезпечного астрономічного об'єкта». Цей титул отримують всі тіла розміром більше 150 метрів, які можуть підійти до земної орбіти на дистанцію менше 19,5 відстаней від Землі до Місяця. Ступінь «грізності» астероїдів і комет вчені вимірюють також за Туринською і Палермською шкалами - вони пов'язують небезпеку небесного тіла для Землі з його розмірами, кінетичною енергією і ймовірністю зіткнення з нашою планетою (детальніше про оцінку небезпеки астероїдів читайте в матеріалі «Як розібратися з астероїдом без прокуратури»).
Оскільки Сонячна система динамічно активна, а спостереження за потенційно небезпечними для планети тілами ведуться постійно, їх статус нерідко змінюється. Так, наприклад, 450-метровий астероїд Апофіс спочатку мав оцінку 4 з 10 за Туринською шкалою - це відповідає «тісному зближенню з Землею, що викликає занепокоєння», - а через 17 років був визнаний практично нешкідливим і зовсім виключений зі списку потенційно небезпечних об'єктів. А ось 500-метровий астероїд Бенну, після того як до нього злітала міжпланетна станція OSIRIS-REx, нещодавно несподівано отримав оцінку -1,6 за шкалою Палермо, ставши найбільш небезпечним на сьогодні для нашої планети об'єктом.
Що у Землі в арсеналі
Здається, що при виникненні реальної загрози зіткнення Землі з великим небесним тілом людство обов'язково що-небудь придумає (придумало ж воно фільм «Армагеддон») і врятується. Однак насправді поки що ми вміємо лише стежити за потенційно небезпечними тілами в оптиці і радіодієстонах. Моніторинг постійно вдосконалюється: збільшується число телескопів (як наземних, так і космічних), вже існуючі модернізуються, сам процес спостереження і обробки даних автоматизується - так що ми зможемо передбачити час і місце падіння подібного тіла на Землю за кілька днів до цього. Але на цьому, власне, все і закінчується.
Методик планетарного захисту придумано кілька, проте поки жодна з них на практиці не перевірялася.
Підірвати. Все той же «Армагеддон» або «Зіткнення з безоднею» підказують, що перемогти астероїд можна, встановивши і підірвавши ядерний або термоядерний заряд на астероїді або ядрі комети. Вибух зруйнує тіло, що загрожує Землі, на безліч дрібніших фрагментів, кожен з яких буде вже не такий небезпечний, ніж вся космічна брила цілком. Зокрема, Апофіс пропонувалося підірвати апаратом-перехоплювачем з шістьма термоядерними бомбами B83 потужністю 1,2 мегатонни кожна. Потужність термоядерних боєприпасів обмежена лише можливостями носія і кількістю наявних компонентів, однак щоб здійснити подібну операцію, потрібно знати про загрозу зіткнення задовго до нього, чітко прорахувати траєкторію руху тіла і тримати під рукою готовий до польоту ядерний перехоплювач, інакше можна просто не встигнути. Крім того, не завжди можна гарантувати, що уламки все одно не завдадуть відчутної шкоди Землі.
Штовхнути. Інший варіант захисту передбачає таран астероїда апаратом-ударником (одним або кількома), щоб змінити його імпульс і, як наслідок, траєкторію руху. І тут досвід у нас вже є: 2005 року апарат Deep Impact скинув невеликий імпактор на ядро комети Темпеля 1, який зіткнувся з ним на швидкості 10 кілометрів на секунду. Однак тоді все це робилося виключно з науковою метою - вченим був цікавий склад комети, а не зміни її траєкторії за рахунок удару.
Використовувати силу гравітації. Можна спробувати відхилити астероїд «гравітаційним трактором» у вигляді досить масивного апарату, який супроводжував би об'єкт, зависнувши над ним, і таким чином змінював його траєкторію за рахунок гравітаційного поля. Цей метод мала перевірити місія ARM (Asteroid Redirect Mission), однак у 2017 році проект закрили.
На цьому список ідей не закінчується, але всі інші (поки) не розглядалися всерйоз, а їх автори обмежувалися лише теоретичними розрахунками.
- Можна спробувати відхилити тіло спрямованим потоком плазми з двигунів космічного апарату або оснастити його сонячним вітрилом з плівки;
- випарувати його речовину за рахунок лазерної абляції;
- доставити на поверхню об'єкта ракетні двигуни, щоб ті в ході своєї роботи змінили траєкторію руху;
- пофарбувати одну зі сторін астероїда в білий колір (наприклад діоксидом титану), щоб збільшити вплив ефекту Ярковського.
Тим часом, як би шалено це не звучало, людству не завадив би перевірений на практиці метод захисту від астероїдно-кометної небезпеки - хоч ми і не можемо передбачити, коли саме прийде їхній зоряний час.
Наздогнати і вдарити
Проект DART (Double Asteroid Redirection Test - випробування перенаправлення подвійного астероїда) був схвалений NASA в 2018 році і став першим у своєму роді проектом випробування планетарного захисту. Вибір агентства цього разу припав на метод кінетичного тарана. Вартість розробки першого кандидата на роль захисника Землі становила 324,5 мільйона доларів за три роки робіт (для порівняння: річні військові бюджети великих країн обчислюються в десятках і сотнях мільярдів).
В якості мети вчені вибрали подвійний астероїд (65803) Дідім з сімейства Аполлонів, відкритий в 1996 році. Навколо його 780-метрового основного тіла поводиться з періодом 11,9 годин 160-метровий супутник Діморф (швидше за все, фрагмент Дідіма). Орбіта астероїда перетинає земну, так що він відноситься до потенційно небезпечних. У листопаді 2123 року він підлетить до Землі на відстань 5,9 мільйона кілометрів.
Діморф зручний за двома критеріями - він відносно малий порівняно з іншими астероїдами і досить близький до Землі, що дозволяє досить точно оцінити результати тарана. 550-кілограмовий апарат повинен розвинути швидкість 6,6 кілометра на секунду і врізатися в астероїд, маса якого становить близько 4,8 мільйонів тонн. За розрахунками, період звернення Діморфа навколо Дідіма зміниться на 4-7 хвилин. Однак на практиці процес зіткнення буде, природно, влаштований складніше, ніж показують моделі. Зокрема, якщо при зіткненні ударника з астероїдом у простір буде викинуто велику кількість речовини, то ефект кінетичного тарана може посилитися. Це посилення описується коефіцієнтом, рівним відношенням імпульсу мети після зіткнення до імпульсу імпактора.
Тут прихована ще одна мета DART - допомогти вченим перевірити моделі зміни лід-коефіцієнта залежно від швидкості ударника, кута зіткнення, внутрішньої структури мети і властивостей її речовини, таких як міцність або ударна в'язкість. Дослідники пророкують, що на лід-коефіцієнт сильніше впливає ступінь пористості надр астероїда, а не його мінеральний склад. Крім того, у разі сильно неоднорідних тіл типу «купи щебеню» (таким, наприклад, є астероїд Бенну) величезну роль буде грати район, куди потрапляє ударник. У разі пари DART-Діморф моделі пророкують, що ефект тарана посилиться в 1,5-2 рази за рахунок викиду речовини з поверхні астероїда.
Ударник і випробувач
DART не тільки буде битися з Діморфом, але і випробує в польоті ряд технологічних новинок. Для місії була розроблена нова система автономної оптичної навігації в реальному часі SMART Nav (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation), вона буде керувати космічним апаратом в останні чотири години перед зіткненням. Електроенергію апарат отримуватиме за допомогою гнучких 8,5-метрових сонячних батарей ROSA, які випробовували на МКС.
Як рухову установку, крім ксенонового іонного двигуна NEXT, на апараті в тестовому режимі попрацює двигун NEXT-C (NASA's Evolutionary Xenon Thruster-Commercial), його надалі планують встановлювати на міжпланетні апарати. Крім того, для зв'язку із Землею DART отримав новий тип антени з високим коефіцієнтом посилення RLSA (Spiral Radial Line Shot Array).
Стартова маса апарата - 610 кілограмів, а без сонячних батарей він схожий на куб з розмірами 1,2 ст.1 1,3 ст.1 1,3 метра. Корисне навантаження DART включає в себе сонячні і зіркові датчики, а також камеру DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation) з апертурою 20,8 сантиметрів, яка отримає чіткі зображення астероїдів, останні з яких будуть зроблені за 20 секунд до зіткнення. Крім того, разом з DART до Дідіма відправиться кубсат LICIACube з двома оптичними камерами - він відокремиться від основного апарату за 10 днів до тарана астероїда і буде стежити за ходом всього процесу, передаючи знімки на Землю (щось подібне NASA робили, саджаючи на Марс апарат InSight, але тоді місія кубсатів була простішою).
План-перехоплення
У космос DART виведе ракета-носій Falcon 9. Стартове вікно відкривається 24 листопада 2021 року і триватиме до лютого 2022-го. Апарат повинен прибути до Дідіма наприкінці вересня 2022 року, а 2 жовтня піти на таран. У цей момент відстань між Дідімом і Землею буде всього 11 мільйонів кілометрів, її зможуть спостерігати наземні телескопи. Для спостерігача з Землі система астероїдів затмінна - Діморф періодично проходить попереду і позаду Дідіма і тому, відстежуючи зміни яскравості цього об'єкта, можна буде визначити, чи змінилася орбіта Діморфа після його зіткнення з DART.
Поділитися