Благодаря ежедневному использованию многочисленных телескопов на сегодняшний день обнаружено более 28 000 околоземных объектов, причем каждый год происходит 3000 новых открытий. Близость этих объектов к Земле необязательно подразумевает вероятность столкновения, но необходим постоянный и тщательный мониторинг. Только оценивая вероятность столкновения околоземных объектов и объектов сближающихся с Землей, можно разработать стратегию «защиты» от таких событий.
Мониторинг околоземных объектов состоит из наблюдения, которое должно сопровождаться анализом траектории. В последние годы наблюдательные приборы претерпели чрезвычайно важное технологическое развитие, которое, как ожидается, продолжится и в будущем. Увеличение возможностей наблюдений немедленно приведет к увеличению числа ежегодно обнаруживаемых околоземных астероидов. Поэтому необходимость обновления систем анализа и прогнозирования траекторий также очевидна. Для решения этих задач НАСА разработало алгоритм мониторинга столкновений нового поколения под названием Sentry-II.
Околоземные астероиды
Траектории астероидов не хаотичны и непредсказуемы, а подчиняются точным законам физики и орбитальной механики. Зная положение и относительную скорость астероида в определенный момент времени, можно рассчитать эволюцию его орбиты даже спустя длительное время. Зная будущее положение Земли, можно оценить возможность близкого прохождения и, возможно, столкновения. Однако измерения страдают от неопределенности, что приводит к ошибкам в прогнозировании траекторий. Для этого разработано программное обеспечение, которое вычисляет различные орбиты, присутствующие в области неопределенности, и поэтому может определять возможную возможность удара.
По этой можно перейти на страницу Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), которая содержит новый инструмент 3D-визуализации известных околоземных объектов. Взаимодействуя с этим инструментом, можно в реальном времени просматривать орбиты различных небесных тел (включая астероиды и кометы) и их будущую эволюцию. Инструмент обновляется ежедневно.
С 2002 года CNEOS (Центр НАСА по изучению околоземных объектов) отслеживает риск столкновения с околоземными астероидами с помощью программного обеспечения под названием Sentry. Траектория движения астероида через Солнечную систему определяется гравитационным притяжением Солнца, а также гравитацией планет, мимо которых он проходит. Первая версия Sentry была способна с большой точностью рассчитать гравитационное взаимодействие небесных тел на орбите астероида, но не оценить влияние негравитационных сил.
К последним относятся, например, силы теплового характера. Астероиды вращаются вокруг себя, таким образом «циклически» подвергая определенную поверхность воздействию солнечного света, что приводит к ее нагреванию и охлаждению. Инфракрасная энергия, которая высвобождается при охлаждении поверхности, создает небольшой, но постоянный толчок на астероиде. Это явление известно как эффект Ярковского, который мало влияет на движение астероида в течение коротких периодов, но может существенно изменить его траекторию в течение десятилетий и столетий.
«Тот факт, что Sentry не мог автоматически обрабатывать эффект Ярковского, был ограничением«, — сказал Давиде Фарноккья, инженер по навигации в JPL, который также помогал в разработке Sentry-II. «Каждый раз, когда мы сталкивались с особым случаем, нам приходилось выполнять сложные и трудоемкие ручные анализы. С Sentry-II нам больше не придется этого делать«.
Еще одним ограничением оригинального алгоритма Sentry была неспособность точно предсказать вероятность столкновения астероидов с Землей на очень близком расстоянии. Движение этих околоземных объектов значительно отклоняется гравитацией нашей планеты, и неопределенность орбиты после столкновения может резко возрасти. В этих случаях предыдущие расчеты Sentry были ненадежными и требовали ручного вмешательства. Sentry-II не имеет этого ограничения.
После близкого столкновения астероида с Землей область неопределенности становится больше, что затрудняет оценку возможности будущих столкновений.
Оптимизация вычислительной системы
Когда телескопы отслеживают новый астероид вблизи Земли, астрономы измеряют наблюдаемые в небе позиции и сообщают о них в Центр малых планет. CNEOS использует эти данные для определения наиболее вероятной орбиты астероида вокруг Солнца. Однако из-за небольших ошибок в измерении положения астероида его «наиболее вероятная орбита» может не отражать его истинную орбиту. Истинная орбита находится где-то внутри области неопределенности, которую можно представить в виде облака возможностей, окружающего наиболее вероятную орбиту.
Чтобы рассчитать вероятность столкновения, оригинальный Sentry делает некоторые предположения об эволюции области неопределенности, выбирая ряд равноудаленных точек вдоль линии, проходящей через эту область. Каждая точка представляет собой возможное текущее положение астероида, которое немного отличается от измеренного положения. Затем орбиты распространяются из различных начальных положений. Если зарегистрирована околоземная траектория, проводятся дальнейшие расчеты. Затем выбираются промежуточные точки и ищутся траектории, которые могут столкнуться с Землей. В зависимости от выбранных точек и рассматриваемого периода времени можно оценить вероятность воздействия.
Новая философия Sentry-II
У Sentry-II другая философия. Новый алгоритм моделирует тысячи случайных точек во всей области неопределенности, не делая никаких предположений о ее эволюции. Таким образом, расчеты определения орбиты не обусловлены заранее определенными предположениями о том, какие части области неопределенности могут привести к возможному столкновению. Это позволяет Sentry-II сосредоточиться на сценариях воздействия с очень низкой вероятностью, некоторые из которых Sentry мог 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 стог сена.
Sentry тысячи раз наугад пробивает стог сена в поисках иголок, расположенных вблизи одной линии, проходящей через стог. Предполагалось, что следование по этой линии — лучший способ поиска игл. Но Sentry-II не предполагает никакой линии и вместо этого запускает тысячи крошечных магнитов в случайном порядке по стогу сена, которые затем находят ближайшие иголки.
С будущим ростом активности наблюдений за околоземными астероидами, безусловно, возникнет потребность в системе расчетов и прогнозирования, которая сможет справиться с огромным количеством поступающих данных. NASA разработало Sentry-II специально для этой цели, и он обещает принести чрезвычайно значительные результаты.