26 сентября 2022 года зонд НАСА DART весом около полутонны на скорости 6,1 км/с намеренно врезался в астероид Диморфос, что стало первым в истории испытанием планетарной защиты.
Задача DART состояла в том, чтобы изменить орбиту маленького Диморфоса, бинарного астероида более крупного Дидимоса, чтобы изменить траекторию последнего. Испытание должно было продемонстрировать возможность отклонения потенциально опасных астероидов путем кинетического удара.
Миссия ЕКА Hera, которая должна отправиться в октябре этого года и прибыть в пункт назначения в декабре 2026 года, проверит последствия удара DART вблизи. Однако новое исследование, основанное на моделировании столкновения, предполагает, что Hera не будет наблюдать кратеров, образовавшихся в результате падения DART, а вместо этого, возможно, изменит форму всего астероидного тела.
Что мы знаем на данный момент?
Первый эксперимент по использованию метода кинетического удара для отклонения астероидов оказался успешным. Наблюдения с Земли показывают, что орбита Диморфоса, которая составляла 11 часов 55 минут вокруг его родительского астероида Дидимос, сократилась примерно на 33 минуты, с погрешностью плюс-минус 1 минута.
Что мы до сих пор точно не знаем, так это то, как астероид отреагировал на столкновение, с точки зрения общей эффективности передачи импульса. Пока что она оценивается по имеющимся у нас данным об отдаче материала, выброшенного в космос, полученным с помощью итальянского аппарата LICIACube CubeSat до 5 минут 20 секунд после столкновения, а также с помощью космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб».
Все они показывают гигантский шлейф обломков, простирающийся более чем на 10 000 км в космос и сохраняющийся в течение нескольких месяцев. Наблюдения в первые часы после падения DART позволили оценить, что во время этого события было выброшено более 1.3-2.2*107 кг вещества, что эквивалентно 0,3-0,5 % массы Диморфоса.
Снимки космического телескопа «Хаббл», сделанные через 22 минуты, 5 часов и 8,2 часа после столкновения DART с Диморфосом. На снимках видны выбросы обломков, образовавшиеся в результате столкновения, которые выглядят как лучи, выходящие из тела астероида. Наблюдения проводились с использованием фильтра WFC3/UVIS F350LP, которому был присвоен синий цвет.
Однако для того, чтобы поближе рассмотреть последствия удара по астероидному телу, придется дождаться миссии ЕКА Hera, оснащенной рядом инструментов и CubeSats, которые позволят точно оценить состав, структуру и массу Диморфоса. И тем самым выявить, насколько сильно изменило его воздействие.
Что говорят нам новые симуляции?
Тем временем международная исследовательская группа получила новую информацию о воздействии DART, смоделировав его с помощью кода воздействия Bern Smoothed Particle Hydrodynamics (Bern SPH). Эта программная система, разработанная в Бернском университете более двух десятилетий назад, предназначена для воспроизведения столкновений при распаде каменных тел.
Bern SPH работает путем преобразования сталкивающихся тел в миллионы частиц, поведение которых при столкновении определяется взаимодействием различных перенастраиваемых переменных, таких как гравитация, плотность или прочность материала астероида. Программа была подтверждена лабораторными экспериментами, а также использована для воспроизведения существующего теста на столкновение с астероидом: когда японский зонд Хаябуса-2 врезался небольшим медным устройством в астероид Рюгу в 2019 году.
Код требует больших вычислительных затрат, каждая симуляция занимает около полутора недель. Всего ученые провели около 250 симуляций, воспроизводя первые два часа после столкновения. Они учли все известные значения и изменили неизвестные, такие как плотность валунов, из которых состоит Диморфос, их близость, пористость и связность.
Затем они проверили, какой из результатов моделирования наиболее точно соответствует наблюдаемой реальности. Результаты показали, что Диморфос представляет собой груду обломков, удерживаемых вместе не силой сцепления, а чрезвычайно слабой гравитацией астероида. Это позволяет объяснить неожиданно высокую эффективность отклонения орбиты DART.
Полностью переделанный астероид
И не только это. Возрастает вероятность того, что кратер, образовавшийся в результате удара DART, охватил все астероидное тело, так что Диморфос был бы полностью переформирован. Во всех сценариях столкновения, смоделированных с помощью Bern SPH, с учетом очень низкой силы сцепления, удар не приводит к образованию обычного кратера, а вызывает глобальную деформацию цели.
Моделирование показывает, что Диморфос имел овальную форму, которая затем была затуплена со стороны удара. Теперь его форма больше похожа на овал с «укусом». Ниже приведена стереоскопическая анимация, полученная в результате моделирования, показывающая последствия удара DART в течение первых 30 минут после столкновения.
Ролик, полученный в результате SPH-симуляции в Берне, демонстрирующий последствия столкновения с DART, охватывающий первые 30 минут после столкновения.
Каковы последствия?
Это изменение также повлияло на орбиту Диморфоса вокруг его родительского астероида Дидимос. Фактически, глобальная деформация Диморфоса привела к изменению гравитационного поля между двумя астероидами, что имеет важные последствия для его орбиты.
Изменение формы вызвало бы еще одно возмущение орбиты Диморфоса, помимо тех, что вызваны импульсом зонда и отдачей выброшенного материала. И этот эффект может объяснить от нескольких секунд до нескольких минут наблюдаемого изменения периода орбиты (около 33 минут), в зависимости от величины деформации.
Наблюдение и моделирование удара DART по Диморфосу (A, B). Изображение Диморфоса и материалов, выброшенных в результате столкновения, с высоким разрешением через 178 секунд после удара DART, полученное итальянским аппаратом LICIACube CubeSat, сравнивается с симуляцией (C) удара DART, выполненной командой.
Деформация также изменит распределение массы Диморфоса и повлияет на состояние его вращения после столкновения. Это важные соображения по двум причинам. Первая — научная; вторая — для будущей планетарной обороны.
С научной точки зрения, общая картина, которая вырисовывается, — это астероидное тело, почти лишенное сплошности, сформированное в основном под действием слабой силы гравитации. Это описание согласуется с нашими наблюдениями за другими астероидами, например, Рюгу и Бенну.
Что касается планетарной обороны, то если мы знаем, что этот тип астероидов имеет такой состав, необходимо будет разработать соответствующие инструменты для отклонения орбиты. Инструменты, способные использовать последствия удара зонда об астероид, чтобы изменить его траекторию и не оказаться неудачной миссией из-за слишком слабых ударов.
С полным текстом исследования, опубликованным в журнале Nature Astronomy, можно ознакомиться здесь.
