Иногда астероиды приближаются к Земле, и мы, закономерно, беспокоимся о возможности столкновения с нашей планетой. Существует ли у нас возможность изменить траекторию небесного тела, направляющегося к Земле, чтобы предотвратить это?
Существует ли возможность изменить траекторию небесного объекта, направляющегося к Земле и представляющего опасность для нас и нашей жизни? Миссия DART – это первый конкретный шаг к ответу на этот вопрос. NASA и Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса планируют осуществить в космосе эксперимент, целью которого является изучение способов изменения орбит астероидов.
Сборка космического аппарата, предназначенного для попытки незначительного изменения орбиты астероида, завершилась давно. Изначально старт был запланирован на 22 июля 2021 года, но затем перенесен. В конечном итоге аппарат DART был запущен с космодрома Ванденберг с помощью ракеты-носителя Falcon 9 в ночь на 24 ноября 2021 года. Однако, до достижения цели ему предстоит преодолеть значительное расстояние – целый год.
Противоастероидная оборона
Астрономы знают о большом количестве астероидов, столкновение с которыми может вызвать массовое вымирание и привести к гибели цивилизации. Считается, что траектории этих опасных астероидов можно изменить – при условии, что их обнаружат достаточно рано. Какой способ для этого использовать? Вероятно, самый простой ответ – разрушить астероид взрывом или столкнуть его (чтобы изменить его путь). Однако, чтобы быть уверенными в эффективности такого воздействия, исследователям необходимо глубже изучить, как астероид отреагирует на кинетическое воздействие.
Главной целью миссии космического аппарата, разработанного в рамках проекта DART (Double Asteroid Redirection Test), что в переводе означает «Тест по перенаправлению двойного астероида», является столкновение с астероидом. Это необходимо для демонстрации возможности изменения траектории опасных астероидов.
DART – это специализированный космический аппарат и ударный зонд, созданный для столкновения с астероидом, находящимся почти в 11 миллионах километров от Земли. Скорость этой встречи составит 6,6 километра в секунду. Сборкой аппарата руководила Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL). Интересно, что эту лабораторию основали вскоре после начала Второй мировой войны с целью разработки способов улучшения работы систем противовоздушной обороны. И весьма символично, что сегодня она занимается защитой планеты от космической угрозы – от астероидов».
В реализации проекта задействованы также Лаборатория реактивного движения (JPL), Центр космических полетов имени Годдарда (GSFC) и Космический центр имени Джонсона (JSC).
«Имеющий две формы»
Космический аппарат DART полетит к астероиду Дидим, диаметром 780 метров. Этот быстро вращающийся небольшой астероид относится к группе Аполлонов – околоземных тел, орбиты которых пересекают земную с внешней стороны. У Дидима вытянутая орбита, поэтому в ходе движения вокруг Солнца он пересекает орбиту не только нашей планеты, но и Марса.
Дидим не представляет никакой опасности для Земли. Также отсутствует вероятность того, что проводимый эксперимент создаст риск столкновения с планетой. Наименьшее расстояние до Земли было зафиксировано в ноябре 2003 года, когда он пролетел от нее на 7,2 миллиона километров. Ближайшее сближение ожидается лишь в 2123 году и составит 5,9 миллиона километров. В момент подхода к Дидиму зонда в октябре 2022 года он будет находиться от нас на расстоянии 10,9 миллиона километров. Для сопоставления, минимальное расстояние от Земли до Марса – 55,76 миллиона километров, а до Венеры – 38 миллионов километров.
Обсерватория Китт-Пик стала местом открытия Дидима 11 апреля 1996 года. Это открытие было сделано в ходе реализации проекта «Космический дозор» (Spacewatch), целью которого являлся поиск астероидов. Название астероиду было дано в честь древнегреческого теоретика музыки, Дидима Музыканта.
Дидим представляет собой двойной астероид, сопровождаемый небольшим спутником, получившим официальное название Диморф, данное ему Международным астрономическим союзом в июне 2020 года. Именно этот спутник станет целью для столкновения. Его диаметр составляет всего 150 метров, а радиус орбиты вокруг Дидима – 1,1 километра, при этом период обращения занимает всего 11,9 часа.
Астрономы давно предполагали наличие спутника у астероида, однако его существование было подтверждено лишь в 2003 году. Изначально небесное тело называли Дидим-Б или Дидимун. Позже планетолог, задействованный в проекте DART, Клеоменис Циганис предложил назвать его Диморф. Этот греческий термин переводится как «имеющий две формы».
Подобное объяснение связано с тем, что Диморф станет первым космическим объектом, форма которого претерпела значительные изменения благодаря деятельности человека. Зонд DART зафиксирует его первоначальный вид, а камеры аппарата Hera Европейского космического агентства (который достигнет двойной системы в 2027 году, через пять лет после столкновения, для оценки его результатов) покажут Дидиму в измененном состоянии, после удара.
Малоизученная цель
Одной из особенностей миссии DART является то, что ее создатели практически ничего не знали о своем предназначении. До того, как Дидим был выбран в качестве цели для DART, не было особых оснований для его наблюдения, поскольку он не представлял значительной опасности для Земли – по крайней мере, в ближайшие годы. И тем более ученые не располагали информацией о внешнем виде Диморфа.
Наши текущие знания о Дидиме и Диморфе основаны на данных, полученных с помощью наземных оптических и радиотелескопов. Астрономы смогли установить наличие спутника у Дидима благодаря тому, что его светимость периодически уменьшается. Это дало основания полагать, что вокруг него вращается какой-то объект.
Значительная часть информации о системе Дидима стала доступна благодаря наблюдениям, проведенным в 2003 году. У системы наблюдается период, когда она становится доступной для наблюдений примерно каждые два года, и когда стало известно о реализации проекта DART, ученые начали систематически изучать ее. Важно учитывать, что когда Дидим приблизится к Земле настолько, чтобы астрономы смогли продолжить наблюдения, свет, исходящий от астероида, будет примерно в 100 тысяч раз тусклее самой малой звезды, которую можно различить невооруженным глазом в темное время суток.
Изначально DART являлся производным от несостоявшегося проекта Европейского космического агентства «Дон Кихот», разработанного в начале 2000-х годов. Концепция этого проекта предполагала отправку двух космических аппаратов: «Идальго» должен был намеренно столкнуться с астероидом, а «Санчо» – зафиксировать этот процесс и проанализировать, как столкновение повлияло на орбиту астероида. В конечном итоге ЕКА признало, что стоимость миссии будет чрезмерной, и проект был закрыт.
Вскоре появилась задумка, как снизить стоимость такой миссии: ее следует осуществить на двойном астероиде. Это позволило бы избежать необходимости в отдельном космическом аппарате для определения отклонения. Наблюдения можно было бы вести с Земли, используя наземные телескопы. Оставалось только определить наиболее подходящий двойной астероид.
План миссии
Аппарат DART был выведен на орбиту с космодрома Ванденберг с помощью ракеты-носителя Falcon 9 в ночь на 24 ноября 2021 года. Для достижения своей цели аппарату потребуется более чем год.
В ходе большей части крейсерского этапа миссии DART космический аппарат будет двигаться, ориентируясь по звездам. Несмотря на наличие звездного трекера, который позволяет определять местоположение в Солнечной системе, используя положение звезд в Галактике, космический корабль не сможет визуально обнаружить цель, пока не приблизится на достаточное расстояние. Даже в этом случае он не сможет различить Диморфа, видя лишь основное тело двойной системы Дидима. При этом он будет представлять собой всего лишь один пиксель в поле обзора. Диморф не появится в поле зрения, пока космический корабль не окажется всего в часе полета от момента крушения.
Помимо запуска ударного зонда DART, проект предусматривает создание и вывод на орбиту дополнительных космических аппаратов. Наблюдать за моментом столкновения и его результатами будут как наземные телескопы, так и компактный аппарат, разработанный Итальянским космическим агентством (ASI). LICIACube – кубсат 6U класса (размерами 10×20×30 сантиметров), оснащенный камерой – будет отделен от DART за несколько дней до столкновения с астероидом.
В 2024 году в рамках «Миссии по оценке удара и отклонения астероидов» (AIDA) европейский зонд Hera и два кубсата APEX и Juventas также отправятся в космос. Они проведут исследование с орбиты, изучат рельеф и внутреннее строение астероидов, включая детальное обследование образовавшегося ударного кратера.
Изначально предполагалось, что европейский космический аппарат, входящий в состав «Миссии по столкновению с астероидом» (AIM), будет функционировать в связке с DART и фиксировать непосредственные результаты столкновения. Однако в 2016 году эту программу, а также проект «Дон Кихот», закрыли из-за недостатка финансирования. Только спустя два года ESA возобновила участие в проекте, представив меньший по размерам космический аппарат Hera.
«Ненаучный зонд»
В августе 2018 года NASA официально утвердило проект, что открыло путь к завершающей стадии разработки и подготовки к сборке. В мае 2020 года корпус космического аппарата DART и его двигательная установка были доставлены в Лабораторию прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL), где эксперты провели заключительную сборку зонда и выполнили предстартовую подготовку.
Следует еще раз подчеркнуть, что научная составляющая миссии DART не является определяющей. Прежде всего, она носит демонстрационный характер – создана для того, чтобы показать возможность изменения траектории астероида посредством удара, а также для испытания ряда перспективных технологий в процессе приближения к космическому объекту.
DART – это космический аппарат сравнительно простой и доступный по стоимости, его масса составляет приблизительно 560 килограммов. Внешне он напоминает короб, размеры которого составляют около 1,2х1,3х1,3 метра. Это ударный аппарат, не оснащенный научной аппаратурой, за исключением солнечного датчика, звездного трекера и камеры DRACO с диафрагмой 20 сантиметров, необходимой для автономной навигации во время столкновения со спутником астероида.
Обычно разработчики космических аппаратов стремятся минимизировать риски на всех этапах. Поэтому они часто предпочитают использовать уже проверенное в космосе оборудование, а не внедрять новые решения. Учитывая строгие ограничения по массе, накладываемые на космические аппараты, инженеры редко могут добавить дополнительное оборудование для тестирования во время основной миссии. Однако в миссии DART такая возможность существует, что делает ее особенно привлекательной.
Поскольку DART спроектировали для намеренного уничтожения, а не для сбора научных данных, инженерам удалось выделить пространство для размещения и тестирования новых компонентов, которые ранее не применялись в космических аппаратах. Многие из установленных на DART устройств впервые покинули пределы Земли. Разработчики подчеркивают, что DART содержит настолько много технологических инноваций, что это можно сравнить с новогодней елкой, украшенной гирляндами и игрушками».
После отделения от ракеты Falcon 9, аппарат раскроет солнечные батареи общей площадью 22 квадратных метра. Они изготовлены из новых гибких панелей ROSA (Roll Out Solar Arrays). Солнечные элементы интегрированы в гибкий материал, натянутый между двумя стрелами, расположенными по обеим сторонам корабля. Такая конструкция позволяет снизить вес панелей в пять раз по сравнению с традиционными панелями, выполненными на жестком каркасе.
Использование таких солнечных батарей существенно упростит миссии к дальним планетам, как в буквальном, так и в переносном смысле. Они отличаются небольшим весом и благодаря особенностям конструкции занимают в четыре раза меньше места, а также на 20% легче, чем обычные панели. Механизм развертывания солнечных панелей был протестирован на МКС в 2017 году, однако теперь его впервые применяют с использованием реальных солнечных элементов.
Солнечная энергия обеспечивает не только работу оборудования, но и питание электрической двигательной системы аппарата. На DART будет протестирован ионный двигатель NASA Evolutionary Xenon Thruster – Commercial (NEXT-C). Данная система, являющаяся разработкой следующего поколения, базируется на двигательной установке космического корабля Dawn и была создана в Исследовательском центре Гленна в Кливленде.
Ионные двигатели, несмотря на относительно небольшую тягу, значительно превосходят по эффективности ракетные двигатели, использующие топливное сгорание. Разработка ионного привода NEXT-C продолжается почти двадцать лет, однако его испытания в космических условиях еще не проводились. Этот двигатель обладает мощностью, в три раза превышающую характеристики других ионных двигателей, применяемых NASA для межпланетных миссий, и примерно в десять раз эффективнее традиционных химических двигательных систем.
Настоящая эффективность двигателя NEXT-C определяется возможностью регулировки тяги в значительном диапазоне, что недоступно для большинства ионных двигателей. Это позволяет отказаться от использования нескольких двигателей для различных фаз миссии и ограничиться одним. Вблизи Солнца, где доступно большое количество фотонов для преобразования в электричество, космический корабль может задействовать электрический двигатель на максимальной мощности, а при удалении от звезды – снижать ее.
NEXT-C будут применять исключительно для небольших тестов. По сути, это дублирующая система для основной двигательной установки. Для коррекции траектории и изменения ориентации DART в полете будут использоваться 12 небольших двигателей, работающих на обычном химическом топливе.
Помимо этого, солнечные батареи будут питать новую радиантенну RLSA (Radial Line Slots Array), испытания которой в космосе проводятся впервые. Несмотря на круглое строение, она обладает плоской формой, что упрощает ее доставку на орбиту по сравнению с большими параболическими антеннами, которые обычно используют космические аппараты для передачи данных на Землю.
Столкновение
Точно предсказать последствия столкновения зонда с целью невозможно. Мы можем утверждать лишь одно: космический аппарат будет разрушен. Расчеты показывают, что воздействие аппарата весом 500 килограммов, движущегося на скорости шесть километров в секунду, приведет к изменению скорости астероида приблизительно на 0,4 миллиметра в секунду, что вызовет незначительные корректировки в траектории астероидной системы. Однако в перспективе это повлечет за собой более существенное смещение траектории. В целом, ожидается, что DART изменит скорость Диморфа примерно на полмиллиметра в секунду, что, в свою очередь, сократит его орбитальный период примерно на 10 минут.
По мнению ученых, существует вероятность, что наземные телескопы смогут зафиксировать момент столкновения с Землей. В случае положительного результата это проявится в виде кратковременного светового явления. Даже если наземным телескопам не удастся увидеть само столкновение, они все равно будут играть ключевую роль в наблюдении за его последствиями. Ведь основная цель миссии заключается в том, чтобы установить, как космический аппарат способен изменить траекторию астероида, столкнувшись с ним. Для этого необходимо отслеживать изменения в яркости астероида, когда Диморф вращается вокруг него. Аналогично изображениям с LICIACube, данные, полученные с наземных телескопов, помогут исследователям усовершенствовать модели удара астероида, пока европейский зонд Hera не предоставит более подробную информацию.