Новая система повышает эффективность работы Центра изучения околоземных объектов NASA JPL в сфере оценки рисков столкновений астероидов с Землей.
Ежедневная работа множества телескопов привела к обнаружению более 28 тысяч околоземных объектов. Ежегодно регистрируются три тысячи новых открытий. Расположение этих объектов неподалёку от Земли не всегда означает вероятность столкновения, но требуется постоянный и тщательный мониторинг. Только оценив вероятность столкновений околоземных объектов с объектами, приближающимися к Земле, можно разработать стратегию «защиты» от подобных событий.
Мониторинг небесных тел около Земли включает наблюдение, дополняемое анализом траекторий. В последнее время наблюдательные приборы прошли значительное технологическое развитие, которое должно продолжиться в будущем. Рост возможностей наблюдений сразу же приведет к увеличению числа ежегодно выявляемых астероидов. Поэтому актуально обновление систем анализа и прогнозирования траекторий.
Для решения этих задач НАСА разработало алгоритм мониторинга столкновений нового поколения под названием Sentry-II.
Околоземные астероиды
Траектории астероидов подчиняются законам физики и орбитальной механики, а не хаосу. Положение и относительная скорость астероида в конкретный момент позволяют рассчитать эволюцию его орбиты на длительное время вперед. Зная будущее положение Земли, можно оценить вероятность близкого прохождения или столкновения с астероидом. Неточности измерений приводят к ошибкам в прогнозировании траекторий. Для повышения точности разработано программное обеспечение, которое вычисляет возможные орбиты в области неопределенности и определяет вероятность удара.
По этой На странице Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) появился новый инструмент 3D-визуализации известных околоземных объектов. Взаимодействуя с инструментом, можно в реальном времени просматривать орбиты различных небесных тел, включая астероиды и кометы, а также их будущую эволюцию. Инструмент обновляется ежедневно.
С 2002 года Центр НАСА по изучению околоземных объектов отслеживает риск столкновений с околоземными астероидами с помощью программы Sentry. Движение астероида через Солнечную систему определяется гравитационным притяжением Солнца и планет, мимо которых проходит астероид. Первая версия Sentry могла точно рассчитать гравитационное взаимодействие небесных тел на орбите астероида, но не оценить влияние негравитационных сил.
К последним относятся силы теплового характера. Астероиды вращаются вокруг себя, циклически подвергая определенную поверхность воздействию солнечного света, что приводит к ее нагреванию и охлаждению. Инфракрасная энергия, высвобождающаяся при охлаждении поверхности, создает небольшой, но постоянный толчок на астероиде. Это явление, известное как эффект Ярковского, мало влияет на движение астероида в течение коротких периодов, но может существенно изменить его траекторию за десятилетия и столетия.
«Неспособность Sentry автоматически обрабатывать эффект Ярковского представляла собой ограничение. — сказал Давид Фарноккья, инженер по навигации в JPL, принимавший участие в создании Sentry-II. В каждом специфичном случае раньше выполнялись трудные и длительные ручной анализ. Теперь это стало не нужно с помощью Sentry-II. «.
Оригинальный алгоритм Sentry не мог точно предсказывать вероятность столкновений астероидов с Землей на малых расстояниях. Движение этих объектов сильно изменяется под воздействием гравитации нашей планеты, и неопределенность их орбиты после возможного столкновения резко возрастает. Предыдущие расчеты Sentry в таких случаях были неточными и требовали ручного вмешательства. Sentry-II лишен этого недостатка.
Вследствие ближнего контакта астероида с Землей зона предсказуемости событий будущего увеличилась, что осложняет прогноз вероятности последующих столкновений.
Оптимизация вычислительной системы
Следя за новым астероидом, телескопы определяют его видимые позиции и передают информацию Центру малых планет. С помощью этих данных CNEOS вычисляет самую вероятную траекторию движения астероида вокруг Солнца. Но из-за неточностей в измерениях положения астероида эта «наиболее вероятная орбита» может не совпадать с настоящей. Истинная орбита располагается где-то внутри области неопределенности, которую можно представить как облако возможных путей вокруг наиболее вероятной траектории.
Для определения вероятности столкновения исходная система Sentry исходит из определенных предположений о развитии зоны неопределенности.
Она выбирает ряд точек, расположенных на одинаковом расстоянии вдоль линии, проходящей через эту зону. Каждая точка предполагает возможную текущую позицию астероида, немного отличающуюся от измеренной. Затем из разных начальных положений строятся орбиты. При обнаружении околоземной траектории проводятся дополнительные вычисления. Впоследствии выбираются промежуточные точки, и находят пути, которые могут привести к столкновению с Землей. На основе выбранных точек и рассматриваемого периода времени можно оценить вероятность воздействия.
Новая философия Sentry-II
Sentry-II использует другую философию. Новый алгоритм моделирует тысячи случайных точек во всей области неопределенности без предположений о её эволюции. Это позволяет расчётам определения орбиты не зависеть от заранее определённых предположений о том, какие части области могут привести к возможному столкновению. Sentry-II может сосредоточиться на сценариях воздействия с очень низкой вероятностью, которые предыдущая модель могла пропустить. Фарноккья сравнивает этот процесс с поиском иголок в стоге сена: иголки — это возможные сценарии воздействия, а стог сена — область неопределенности. Чем больше неопределенность в отношении положения астероида, тем больше стога сена.
Sentry многократно бросает магниты в стог сена, пытаясь найти иглы. Считалось, что лучшим способом поиска было следование линии, проходящей через стог. Но Sentry-II не использует линий и вместо этого запускает маленькие магниты в случайном порядке по стогу сена, которые находят ближайшие иглы.
Увеличение числа наблюдений за астероидами, находящимися вблизи Земли, непременно породит необходимость в системе расчетов и прогнозов, способной обрабатывать массивные объемы данных. NASA разработала Sentry-II для решения этой задачи, которая, несомненно, даст впечатляющие результаты.