26 сентября 2022 года аппарат НАСА DART, имеющий массу приблизительно 500 килограммов, преднамеренно столкнулся с астероидом Диморфос на скорости 6,1 км/с. Это стало первым в истории тестом по защите нашей планеты от астероидов.
Целью миссии DART было изменение орбиты небольшого астероида Диморфос, входящего в двойную систему с более крупным астероидом Дидимос. Это должно было подтвердить возможность изменения траектории потенциально опасных астероидов посредством кинетического воздействия.
Миссия ЕКА Hera, запланированная на октябрьский старт и прибытие к месту назначения в декабре 2026 года, должна оценить результаты воздействия DART. Тем не менее, согласно новому исследованию, основанному на моделировании столкновения, Hera, вероятно, не обнаружит кратеры, образовавшиеся в результате падения DART, а, возможно, зафиксирует изменение формы всего астероидного тела.
Что мы знаем на данный момент?
Благодаря первому эксперименту по применению метода кинетического удара, астероид удалось отклонить. Анализ данных, полученных с Земли, свидетельствует о том, что период обращения Диморфоса вокруг астероида Дидимос, который изначально составлял 11 часов 55 минут, уменьшился примерно на 33 минуты. Допустимая погрешность измерений составляет плюс-минус 1 минута.
Нам до сих пор неизвестно, как астероид отреагировал на столкновение с точки зрения эффективности передачи импульса. Эта величина оценивается на основе данных об объеме материала, выброшенного в космос, полученных итальянским CubeSat LICIACube в течение первых 5 минут 20 секунд после удара, а также с использованием космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб».
В результате наблюдений за Дартом был выявлен гигантский шлейф обломков, простирающийся более чем на 10 000 км в космос и сохраняющийся в течение нескольких месяцев.
Наблюдения за первые часы после падения позволили оценить размер выброшенных обломков 7 кг вещества, что эквивалентно 0,3-0,5 % массы Диморфоса.
Для детального изучения последствий столкновения с астероидом потребуется дождаться миссии ЕКА Hera. Она включает в себя ряд инструментов и CubeSats, которые позволят с высокой точностью определить состав, структуру и массу Диморфоса, и, таким образом, установить степень его изменения.
Что говорят нам новые симуляции?
Международная группа исследователей получила дополнительные сведения о последствиях удара DART, проведя моделирование с использованием кода Bern Smoothed Particle Hydrodynamics (Bern SPH). Эта программная система, разработанная более двадцати лет назад в Бернском университете, позволяет воссоздавать столкновения при разрушении каменных тел.
Bern SPH функционирует, представляя сталкивающиеся тела в виде множества частиц. Взаимодействие этих частиц при столкновении определяется совокупностью настраиваемых параметров, включая гравитацию, плотность и прочность материала астероида. Результаты работы программы были подтверждены лабораторными исследованиями и использованы для моделирования реального столкновения: в 2019 году японский зонд Хаябуса-2 намеренно столкнул небольшое медное устройство с поверхностью астероида Рюгу.
Для выполнения кода требуются значительные вычислительные ресурсы, поскольку каждая симуляция занимает приблизительно полторы недели. В общей сложности ученые провели около 250 симуляций, моделирующих первые два часа после столкновения. При этом были использованы все известные данные, а неизвестные параметры, включая плотность валунов, из которых состоит Диморфос, их расположение, пористость и связность, были изменены.
Чтобы убедиться в соответствии моделирования реальным данным, была проведена проверка. Анализ выявил, что Диморфос – это скопление обломков, скреплённых не за счёт силы сцепления, а из-за очень слабой гравитации астероида. Это позволяет объяснить высокую эффективность отклонения орбиты, зафиксированную в ходе миссии DART.
Полностью переделанный астероид
Помимо этого, существует вероятность того, что кратер, возникший после столкновения с DART, распространился на весь астероид, что привело бы к полной перестройке Диморфоса. Согласно всем смоделированным столкновениям с использованием Bern SPH, учитывая крайне слабую связность, удар не приводит к формированию кратера, а вызывает масштабную деформацию объекта.
Согласно результатам моделирования, Диморфос имел овальную форму, которая впоследствии была сглажена в месте удара. В итоге его форма напоминает овал с неровностью, похожей на «укус». Ниже представлена стереоскопическая анимация, полученная в результате моделирования, демонстрирующая последствия столкновения DART в первые 30 минут после удара.
Каковы последствия?
Изменение затронуло и траекторию Диморфоса вокруг астероида Дидимос, являющегося его «родителем». Глобальная деформация Диморфоса вызвала изменение гравитационного взаимодействия между двумя небесными телами, что повлекло за собой существенные последствия для его орбиты.
Деформация привела бы к дополнительному изменению орбиты Диморфоса, помимо изменений, вызванных импульсом зонда и выброшенного материала. Этот фактор способен объяснить вариации в наблюдаемом изменении периода орбиты (около 33 минут) от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от степени деформации.
Изменение формы Диморфоса также повлияет на распределение его массы и состояние вращения после столкновения. Эти факторы имеют значение по двум причинам: во-первых, с научной точки зрения, во-вторых — для обеспечения безопасности планетарной обороны в будущем.
Согласно научным данным, формируется образ астероида, состоящего в основном из рыхлой материи и удерживаемого вместе лишь незначительной гравитацией. Данное описание соответствует результатам наших наблюдений за другими астероидами, такими как Рюгу и Бенну.
В плане планетарной защиты, знание состава астероидов потребует разработки специализированных средств для коррекции их орбит. Эти инструменты должны использовать импульс, возникающий при столкновении зонда с астероидом, для изменения его траектории и избежать провала миссии из-за недостаточно сильных ударов.
Подробное описание исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Astronomy, доступно для ознакомления .