NASA uruchomiła nowatorski system ostrzegania przed planetoidami, które mogą zagrozić życiu na Ziemi. Na czym polega nowość?
Nowy system ostrzegania rozszerza możliwości Centrum Badań Obiektów Bliskich Ziemi NASA JPL w zakresie oceny ryzyka zderzeń z planetoidami, które mogą zbliżyć się do naszej planety. System skuteczniej niż jego poprzednik wyda stosowny alert, gdy tylko okaże się, że taka planetoida może uderzyć w Ziemię. Zbiera dane z obserwacji teleskopowych, po czym na ich tej podstawie wylicza orbitę obiektu na aż sto lat do przodu.
Do dziś blisko 28 000 asteroid bliskich Ziemi (NEA) zostało znalezionych dzięki teleskopom, które nieustannie skanują nocne niebo w poszukiwaniu takich potencjalnych zagrożeń, dodając do tej listy grozy około 3000 (!) obiektów na rok. Szacuje się, że w ciągu najbliższych lat większe i bardziej zaawansowane teleskopy jeszcze przyspieszą ten przyrost. Innymi słowy, spodziewany jest gwałtowny wzrost liczby takich odkryć. W oczekiwaniu na to uczeni z NASA opracowali nowy algorytm monitorujący o nazwie Sentry-II. Amerykańska agencja kosmiczna ma nadzieję, że dzięki przyszłym instrumentom poznamy dokładniej jeszcze więcej potencjalnie zagrażających nam obiektów.
System Sentry-II ma być szczególnie skuteczny w wyliczaniu orbit dla przypadków bardziej skomplikowanych, z którymi jego poprzednik o nazwie Sentry nie umiał zbyt dobrze sobie radzić. Jego wyliczenia będą także bardziej precyzyjne. Warto dodać, że pierwotna wersja oprogramowania, Sentry, działa już od blisko 20 lat. Ma jednak wady.
W popularnej kulturze planetoidy często przedstawiane są jako chaotyczne obiekty bezładnie przemieszczające się po Układzie Słonecznym, nieprzewidywalnie zmieniające swój kurs i mogące zagrozić naszej planecie niespodziewanie i w mgnieniu oka. W rzeczywistości (na szczęście) wcale tak nie jest. Planetoidy są przewidywalnymi ciałami niebieskimi, które przestrzegają praw fizyki i podążają znanymi torami orbitalnymi wokół Słońca. Czasami jednak tory te mogą bardzo (i niebezpiecznie) zbliżyć się do przyszłej pozycji Ziemi na jej własnej orbicie, a z powodu niewielkich niepewności co do takiego chwilowego położenia planetoidy nie można wtedy zupełnie wykluczyć jej przyszłego uderzenia w Ziemię. Z tego powodu astronomowie używają zaawansowanego oprogramowania do automatycznego obliczania ryzyka zderzeń.
Naukowcy z Centrum Badań Obiektów Bliskich Ziemi (CNEOS) obliczają parametry orbitalne dla każdej znanej planetoidy NEA, aby z czasem jak najlepiej doprecyzować ocenę zagrożenia. CNEOS obecnie nadal używa jednak oprogramowania Sentry opracowanego przez JPL jeszcze w 2002 roku. Teraz, po uruchomieniu Sentry-II, NASA ma otrzymać narzędzie pozwalające na szybkie obliczenie prawdopodobieństwa kolizji dla wszystkich znanych nam obiektów NEA, w tym wielu przypadków specjalnych, które nie były uwzględniane przy ocenie zagrożenia w oryginalnym Sentry. Nowy system oceny będzie po prostu dużo bardziej niezawodny, umożliwiając szacowanie ryzyka dla wszystkich potencjalnych kolizji, także tych z bardzo małym prawdopodobieństwem. A sprawa wcale nie jest prosta.
Gdy jakaś planetoida podróżuje przez Układ Słoneczny, grawitacyjne przyciąganie Słońca kształtuje jej orbitę, ale grawitacja planet układu również wpływa w pewnym stopniu na jej trajektorię. W sposób dość przewidywalny. Sentry z dużą dokładnością modeluje, w jaki sposób siły te określają orbitę obiektu, pomagając nam przewidzieć, gdzie znajdzie się on w przyszłości.
Ale dotychczas używane oprogramowanie nie uwzględniało innych sił wpływających na trajektorię danej planetoidy. Najważniejszymi z nich są siły termiczne powodowane ciepłem Słońca. Gdy planetoida wiruje, światło słoneczne ogrzewa jej dzienną stronę. Nagrzana powierzchnia obraca się następnie do swojej zacienionej strony nocnej, po czym schładza się. Podczas chłodzenia uwalniana jest energia podczerwona, która generuje niewielki, ale nieustanny ciąg na planetoidzie. Zjawisko to znane jest jako Efekt Jarkowskiego i ma raczej niewielki wpływ na ruch ciała w krótkich okresach czasu, ale może za to znacząco zmienić orbitę planetoidy w ciągu dziesięcioleci lub stuleci.
Nawiasem mówiąc, występowanie tego efektu jako pierwszy zaproponował około roku 1900 polski inżynier Jan Jarkowski. W uznaniu dla jego pracy jedną z planetoid nazwano (35334) Yarkovsky.
To, że Sentry nie potrafi automatycznie analizować efektu Jarkowskiego, było poważnym ograniczeniem. Za każdym razem, gdy natrafialiśmy na szczególny przypadek, taki jak na przykład planetoidy Apophis, Bennu, czy 1950 DA, trzeba było wykonywać skomplikowane i czasochłonne, dodatkowe obliczenia. Dzięki Sentry-II naukowcy nie będą już musieli tego robić. Jeszcze innym problemem algorytmu Sentry było to, że czasami nie był on w stanie dokładnie przewidzieć prawdopodobieństwa kolizji z planetoidami, które przechodzą bardzo blisko Ziemi. Ruch takich ciał NEA jest znacząco zakłócany przez grawitację naszej planety, a niepewność wyznaczanych parametrów orbity po takim bliskim spotkaniu może dramatycznie wzrosnąć. W takich przypadkach obliczenia Sentry często zawodziły i wymagały dodatkowej, żmudnej pracy analityka. Sentry-II nie ma już tego ograniczenia.
Prawdopodobieństwo zderzenia jest obliczane tak: gdy jakiś teleskop zauważy nową NEA, astronomowie mierzą obserwowane pozycje planetoidy na niebie i przekazują je do Minor Planet Center. CNEOS wykorzystuje te dane do określenia najbardziej prawdopodobnej orbity planetoidy. Ale ze względu na niepewności w obserwowanej pozycji planetoidy, obliczona "najbardziej prawdopodobna orbita" może wcale nie odzwierciedlać jej rzeczywistej orbity. Prawdziwa orbita znajduje się gdzieś wewnątrz obszaru niepewności, niczym chmura możliwości otaczająca najbardziej prawdopodobną pozycję orbity.
Aby ocenić, czy zderzenie jest możliwe i zawęzić obszar, w którym może znajdować się prawdziwa orbita, oryginalny Sentry poczyniłby pewne założenia co do tego, jak może kształtować się ten region niepewności. Następnie wybrałby zestaw równomiernie rozmieszczonych punktów wzdłuż linii obejmującej obszar niepewności. Każdy punkt reprezentowałby nieco inną możliwą aktualną lokalizację obiektu. Następnie program zacząłby przesuwać czas do przodu, obserwować takie hipotetyczne, wirtualne asteroidy krążące wokół Słońca i badać, czy któraś z nich nie zbliży się za bardzo do Ziemi w przyszłości. Jeśli tak by się zdarzyło, wykonałby dalsze obliczenia, aby zobaczyć, czy jakieś punkty pośrednie mogą oznaczać zderzenie obiektu z Ziemią oraz oszacować prawdopodobieństwo tej kolizji.
Sentry-II ma nieco inną filozofię. Nowy algorytm modeluje tysiące losowych punktów nie ograniczonych żadnymi założeniami dotyczącymi ewolucji obszaru niepewności; zamiast tego wybiera losowe punkty w całym obszarze niepewności. Zadaje następnie pytanie o to, jakie są możliwe orbity w całym tym obszarze niepewności, na których znajdująca się planetoida NEA może uderzyć w Ziemię.
Animacja obrazuje przykład tego, jak niepewność orbity planetoidy bliskiej Ziemi może ewoluować w czasie. Po zbliżeniu się takiej planetoidy do Ziemi obszar niepewności staje się jeszcze większy, co z kolei sprawia, że prawdopodobieństwo przyszłych kolizji jest znacznie trudniejsze do oszacowania. Źródło: NASA/JPL-Caltech
W rezultacie obliczenia i wyznaczenia orbit nie są kształtowane przez z góry przyjęte założenia dotyczące tego, które części obszaru niepewności mogą prowadzić do ewentualnej kolizji. Dzięki temu Sentry-II może wskazać więcej scenariuszy zderzeń o bardzo niskim prawdopodobieństwie, z których część Sentry mógł łatwo przeoczyć.
Sentry-II stanowi znaczny postęp w wyszukiwaniu najmniejszych prawdopodobieństw kolizji dla ogromnego zakresu możliwych scenariuszy - stwierdził Steve Chesley, badacz z JPL, który kierował pracami nad Sentry i współpracował przy tworzeniu Sentry-II. Gdy konsekwencje przyszłego zderzenia z planetoidą są tak poważne, opłaca się wykrycie nawet najmniejszego ryzyka zderzenia ukrytego w danych obserwacyjnych.
Podsumowując – poszukiwanie i ocena ryzyka związanego z obiektami NEO ze względu na ich małe rozmiary i jasności przypominają szukanie igły w stogu siana, ale dzięki Sentry-II stóg znacznie się zmniejsza.
Czytaj więcej:
- A Novel Approach to Asteroid Impact Monitoring, Astronomical Journal, 1 XII 2021
- Więcej na temat CNEOS
- Test obrony przeciw planetoidami DART wysłany na rakiecie SpaceX
Źródło: Scienscedaily/NASA JPL
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Wykres przedstawia orbity 2200 potencjalnie niebezpiecznych obiektów obliczone przez Centrum Badań Obiektów Bliskich Ziemi (CNEOS). Zaznaczono tu orbitę podwójnej planetoidy Didymos, która jest celem misji NASA Double Asteroid Redirect Test (DART). Źródło: NASA/JPL-Caltech
