Системата за следене на астероидните удари на НАСА от следващо поколение е онлайн

Тази графика показва орбитите на 2200 потенциално опасни обекта, изчислени от Центъра за изследвания на близки до Земята обекти (CNEOS) на JPL. Орбитата на двойния астероид Дидимус, цел на мисията на НАСА за двойно астероидно пренасочване (DART), беше подчертана. Кредит: NASA/JPL-Caltech

Новата система подобрява възможностите НАСА Лаборатория за реактивно движениеЦентърът за изследвания на близки до Земята обекти за оценка на въздействието на астероидите, които биха могли да се приближат до нашата планета.

Към днешна дата приблизително 28 000 близо до Земята астероиди (NEA) са открити Чрез сканиращи телескопи непрекъснато сканират нощното небе, добавяйки нови открития със скорост от около 3000 годишно. Но тъй като по-големите и по-модерни сканиращи телескопи изпращат търсенето през следващите няколко години, се очаква бързо увеличаване на откритията. В очакване на този скок, астрономите на НАСА разработиха алгоритъм за следене на въздействието от следващо поколение, наречен Sentry-II, за да оценят по-добре шансовете за въздействие на NEA.

Популярната култура често представя астероидите като хаотични тела, които се скитат произволно около нашата слънчева система, променяйки курса си неочаквано и заплашвайки нашата планета без предупреждение. Това не е реалност. Астероидите са силно предсказуеми небесни тела, които се подчиняват на законите на физиката и следват известни орбитални пътища около слънцето.

Но понякога тези траектории могат да се доближат много до бъдещото местоположение на Земята и поради малка несигурност в местоположението на астероидите, влиянието на Земята в бъдещето не може да бъде напълно изключено. Ето защо астрономите използват усъвършенстван софтуер за наблюдение на въздействието, за да изчисляват автоматично рисковете от въздействието.

Той се управлява от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА в Южна Калифорния и Центъра за изследвания на близки до Земята обекти (CNEOS).шафран(Изчислява всяка известна орбита на NEA, за да подобри оценките на риска от въздействие в подкрепа на Службата за координация на планетарната отбрана на НАСА)PDCO). CNEOS наблюдава рисковете за въздействие, породени от NEA, използвайки програма, наречена Sentry, разработена от JPL през 2002 г.

каза Хавиер Роа Висенс, който ръководи разработването на Sentry-II, докато работи в JPL като навигационен инженер и наскоро се премести в SpaceX. „Той се основава на много умна математика: за по-малко от час можете надеждно да получите вероятността за новооткрит астероиден удар през следващите 100 години – невероятно постижение.

Но със Sentry-II НАСА има инструмент, който може бързо да изчисли вероятностите за въздействие за всички известни NEA, включително някои специални случаи, които не са заснети от оригиналния Sentry. Sentry-II съобщава за най-опасните неща в CNEOS охранителна маса.

Чрез систематично изчисляване на вероятностите за въздействие с този нов метод, изследователите направиха системата за наблюдение на въздействието по-стабилна, позволявайки на НАСА да оцени уверено всички потенциални въздействия с вероятности, толкова ниски, колкото тези от 10 милиона.

специални случаи

Когато астероид пътува през Слънчевата система, гравитацията на слънцето определя пътя на неговата орбита, а гравитацията на планетите ще тегли пътя му по предвидими начини. Sentinel е моделирал с висока точност как тези гравитационни сили оформят орбитата на астероида, помагайки да се предскаже неговото далечно бъдещо местоположение. Но не може да изчисли сили, различни от гравитацията, най-важните от които са топлинните сили, причинени от топлината на слънцето.

Когато астероид орбитира, слънчевата светлина загрява дневната страна на тялото. След това горещата повърхност се завърта към засенчената нощна страна на астероида и се охлажда. Инфрачервената енергия се освобождава, когато се охлажда, генерирайки малък, но непрекъснат тласък върху астероида. Това явление е известно като ефекта на Ярковски, който има малък ефект върху движението на астероида за кратки периоди, но може да промени драстично курса си в продължение на десетилетия и векове.

Това видео обяснява как орбитата на астероид Бену около слънцето е определена чрез разглеждане както на гравитационните, така и на негравитационните сили, помагайки на учените да разберат как пътят на астероида ще се промени с течение на времето. Кредит: Центърът за космически полети Годард на НАСА

„Фактът, че Sentry не можеше автоматично да се справи с ефекта на Ярковски, беше ограничение“, каза Давиде Фарнокия, навигационен инженер в JPL, който също помогна за разработването на Sentry-II. „Всеки път, когато се натъкваме на специален случай – като астероидите Апофис, Бенну или 1950 г. сл. Хр – Трябваше да направим сложни и отнемащи време ръчни анализи. Със Sentry-II вече не е нужно да правим това.

Използвайки мрежата на НАСА в дълбокия космос и съвременните компютърни модели, учените успяха да намалят драстично несигурността в орбитата на Бену, определяйки вероятността за нейното общо въздействие през 2300 г. да бъде около 1 към 1750 г. (или 0,057%). Изследователите също успяха да идентифицират 24 септември 2182 г. като единствената най-значима дата по отношение на потенциалното въздействие, с вероятност за въздействие от 1 на 2700 (или около 0,037%). Кредит: Центърът за космически полети Годард на НАСА

Друг проблем с оригиналния алгоритъм на Sentry беше, че понякога не можеше точно да предвиди вероятността от удар от астероиди, които са имали много близки срещи със Земята. Движението на тези NEA е значително изкривено от гравитацията на нашата планета, а орбиталната несигурност след срещата може да нарасне експоненциално. В тези случаи старите акаунти на Sentry може да се провалят, което изисква ръчна намеса. Sentry-II няма това ограничение.

„По отношение на числата, специалните случаи, които открихме, бяха много малка част от всички NEA, за които изчислявахме вероятностите за въздействие“, каза Роа Висенс. „Но ще открием повече от тези специални случаи, когато планираната NEO мисия от НАСА и обсерваторията Vera C Rubin в Чили се появи онлайн, така че трябва да сме подготвени.

Много игли, една купа сено

Ето как се изчисляват вероятностите за удар: Когато телескопите проследяват нов NEA, астрономите измерват наблюдаваните позиции на астероида в небето и ги съобщават в центъра на малките планети. След това CNEOS използва тези данни, за да определи вероятната орбита на астероида около слънцето. Но тъй като има малка доза несигурност в наблюдаваното местоположение на астероида, неговата „потенциална орбита“ може да не представлява истинската му орбита. Истинската орбита се намира някъде в зоната на несигурност, като облак от възможности около най-вероятната орбита.

За да прецени дали ефектът е възможен и да стесни къде може да бъде истинската орбита, оригиналният Sentry прави някои предположения за това как ще се развие зоната на несигурност. След това той избира набор от равномерно разположени точки по линия, която се простира в областта на неопределеността. Всяка точка представлява различно възможно текущо местоположение на астероида.

След това Sentry обръща часовника напред, наблюдава тези „виртуални астероиди“, които обикалят около слънцето, и вижда дали някой от тях се е приближил до Земята в бъдеще. Ако е така, ще са необходими допълнителни изчисления, за да се „увеличи“, за да се види дали някакви междинни точки може да са засегнали Земята и ако е така, да се оцени вероятността от удар.

Тази анимация показва пример за това как несигурността в орбитата на близо до Земята астероид се развива с течение на времето. След като такъв астероид се сблъска тясно със Земята, зоната на несигурност става по-голяма, което прави вероятността от бъдещи въздействия по-трудна за оценка. Кредит: NASA/JPL-Caltech

Sentry-II има различна философия. Новият алгоритъм проектира хиляди произволни точки, които не са ограничени от никакви предположения за това как ще се развие областта на несигурността; Вместо това той избира произволни точки в целия регион на несигурност. Тогава алгоритъмът Sentry-II пита: Какви са възможните орбитали вътре цяла Зона на несигурност, която може да удари земята?

По този начин изчисленията за орбитално определяне не се оформят от предварително определени предположения за частите от зоната на несигурност, които биха довели до потенциално въздействие. Това позволява на Sentry-II да се съсредоточи върху сценарии на въздействие с много ниска вероятност, които Sentry може да е пропуснал.

Farnocchia оприличава процеса на търсене на игли в купа сено: иглите са потенциалните сценарии на въздействие, а купата сено е зоната на несигурност. Колкото по-голяма е несигурността в местоположението на астероида, толкова по-голяма е купата сено. Пазачът на случаен принцип удряше купата сено хиляди пъти, търсейки игли, разположени близо до една линия, минаваща през купата сено. Предположението беше, че следването на тази линия е най-добрият начин за намиране на игли. Но Sentry-II не предполага ивици и вместо това хвърля хиляди малки магнити произволно из цялата купа сено, които бързо се привличат от близките игли и след това ги намират.

„Sentry-II е голям напредък в намирането на малки вероятности за въздействие за широк спектър от сценарии“, каза Стив Чесли, старши изследовател в JPL, който ръководи разработването на Sentry и си сътрудничи на Sentry-II. „Когато последствията от бъдещ сблъсък с астероид са много големи, е полезно да се открият най-малките рискове от сблъсък, скрити в данните.

Изследване, описващо Sentry-II, е публикувано в Астрономически вестник На 1 декември 2021г.

Справка: „Нов подход за наблюдение на въздействието на астероида“ от Хавиер Роа, Давиде Варнокия и Стивън Р. Чесли, 1 декември 2021 г. Достъпно тук. Астрономически вестник.
DOI: 10.3847 / 1538-3881 / ac193f