Uderzenie DART mogło zmienić kształt docelowej asteroidy Hera
Sonda kosmiczna Hera firmy ESA do obrony planetarnej jest przygotowywana do podróży do odległego księżyca asteroidy Dimorphos orbitującego wokół swojego ciała macierzystego Didymos. Jedną z pierwszych cech, których Hera będzie szukać, jest krater pozostawiony na Dimorphos przez poprzednią misję DART, która uderzyła w asteroidę, aby odchylić jej orbitę. Jednak nowe badanie symulujące uderzenie, opublikowane dziś w Nature Astronomy, sugeruje, że żaden krater nie zostanie znaleziony. Uderzenie DART prawdopodobnie przemodelowało całe ciało, co jest istotnym odkryciem zarówno dla nauki o asteroidach, jak i obrony planetarnej.
W dniu 26 września 2022 r. około półtonowa sonda kosmiczna DART NASA uderzyła w pokrytą głazami asteroidę Dimorphos z prędkością 6,1 km/s.
Pierwszy eksperyment z kinetyczną metodą odchylenia asteroidy zakończył się sukcesem: obserwacje z Ziemi pokazują, że 11-godzinna i 55-minutowa orbita Dimorphos wokół macierzystej asteroidy Didymos została skrócona o około 33 minuty (zmierzone z niepewnością na poziomie plus minus minuty).
Badacze wciąż nie wiedzą, jak asteroida jako całość zareagowała na uderzenie statku kosmicznego, ani jaka była ogólna efektywność transferu pędu. Obliczenie tej ostatniej wartości "współczynnika beta" wymaga dokładnej znajomości masy asteroidy, która zostanie ostatecznie zmierzona przez Herę.
Do wyprowadzenia współczynnika beta potrzebny jest również dokładny pomiar odrzutu materiału rozpryskującego się z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Na razie pojawiły się kuszące wskazówki, w tym obrazy uzyskane przez włoski LICIACube znajdujący się w pobliżu do pięciu minut i 20 sekund po uderzeniu DART, a także obrazy z teleskopów kosmicznych Jamesa Webba i Hubble'a, a także teleskopów naziemnych. Wszystkie one pokazują gigantyczny pióropusz szczątków, który rozciągnął się na ponad 10 000 km w przestrzeni kosmicznej i utrzymywał się przez wiele miesięcy.
Aby przyjrzeć się z bliska Dimorphosowi po uderzeniu, naukowcy będą musieli poczekać na przybycie sondy kosmicznej ESA Hera. Hera, która ma zostać wystrzelona w październiku tego roku, dotrze do Dimorphos pod koniec 2026 roku, wyposażona w szereg instrumentów i wspierających miniaturowych "CubeSatów", aby ocenić skład, strukturę i masę Dimorphos oraz ujawnić, w jaki sposób szybkie uderzenie go przekształciło (sama nazwa Dimorphos pochodzi z greki i oznacza "mający dwie formy").
W międzyczasie międzynarodowy zespół badawczy uzyskał zaawansowany wgląd w uderzenie DART, symulując je za pomocą kodu uderzeniowego Bern Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Ten system oprogramowania, opracowany na Uniwersytecie w Bernie przez ponad dwie dekady, został zaprojektowany w celu odtworzenia kolizyjnego rozpadu ciał skalistych.
Bern SPH działa poprzez przekształcanie zderzających się ciał w miliony cząstek, których zachowanie po zderzeniu jest określone przez interakcję różnych zmiennych, takich jak grawitacja asteroidy, gęstość lub wytrzymałość materiału. Został on zweryfikowany w eksperymentach laboratoryjnych, a także wykorzystany do odtworzenia jednego z istniejących testów zderzenia z asteroidą - gdy japońska sonda Hayabusa2 uderzyła małym miedzianym impaktorem w asteroidę Ryugu w 2019 roku.
"Kod działa na wysokowydajnym klastrze obliczeniowym tutaj na uniwersytecie", wyjaśnia Sabina Raducan z Instytutu Badań Kosmicznych i Nauk Planetarnych, Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Bernie, kierująca zespołem i współprzewodnicząca grupy roboczej ds. fizyki uderzenia Hera.
"Jest to proces intensywny obliczeniowo, a każda symulacja trwa około półtora tygodnia, a my przeprowadziliśmy około 250 symulacji, odtwarzając pierwsze dwie godziny po uderzeniu. Uwzględniliśmy wszystkie wartości, które znaliśmy - takie jak masa statku kosmicznego DART, przybliżony kształt asteroidy, odchylenie orbity i rozmiar pióropusza uderzeniowego - jednocześnie zmieniając czynniki, których nie znamy, takie jak bliskość upakowania głazów, ich gęstość, porowatość materiału i jego ogólna spójność. Przyjęliśmy również pewne rozsądne założenia oparte na właściwościach fizycznych meteorytów przypominających Dimorphos.
"Następnie sprawdziliśmy, które z wyników symulacji są najbardziej zbliżone do obserwowanej rzeczywistości. Wyniki wskazują, że Dimorphos jest stosunkowo słabą asteroidą typu "kupa gruzu", utrzymywaną razem przez wyjątkowo słabą grawitację asteroidy, a nie siłę spójności. Pomaga to wyjaśnić nieoczekiwanie wysoką skuteczność odchylania orbity przez DART."
Aby zrozumieć spójność w życiu codziennym, pomyśl o wylewaniu strumienia mąki w przeciwieństwie do piasku. Spadające ziarna mąki uformują się w kształt stożka o wysokim kącie nachylenia ze względu na ich większą siłę spójności, podczas gdy piasek utworzy znacznie bardziej płaską pryzmę.
"Zdarzenie kraterowania zwykle kończy się albo siłą grawitacji, albo siłą kraterowanego materiału" - dodaje Martin Jutzi z Uniwersytetu w Bernie, również współprzewodniczący grupy roboczej Hera Impact Physics Working Group. "Na Ziemi siła grawitacji jest taka, że kraterowanie zachodzi krótko, tworząc typowy kąt stożka krateru wynoszący około 90 stopni. To, co widzieliśmy podczas uderzenia DART w Dimorphos, to znacznie szerszy kąt stożka wyrzutu, sięgający nawet 160 stopni, na co wpływ miał głównie zakrzywiony kształt powierzchni asteroidy. Krater wciąż się rozszerzał, ponieważ zarówno grawitacja, jak i spójność materiału są tak niskie."
Sabina dodaje: "Prawdopodobieństwo jest takie, że krater rozrósł się, aby objąć całe ciało, więc Dimorphos został całkowicie przekształcony. W konsekwencji Hera prawdopodobnie nie będzie w stanie znaleźć żadnego krateru pozostawionego przez DART. Zamiast tego odkryje zupełnie inne ciało. Nasze symulacje sugerują, że Dimorphos miał swój początkowy kształt latającego spodka stępiony po stronie uderzenia: jeśli Dimorphos początkowo przypominał czekoladowego M&M, teraz wyglądałby, jakby został ugryziony!"
Zmiana ta będzie miała również konsekwencje dla orbity Dimorphosa wokół jego rodzica Didymosa. Aby pomóc w interpretacji wyników symulowanego przekształcenia, zespół wykorzystał stereoskopowe obrazy przygotowane przez gitarzystę Queen i astrofizyka Sir Briana Maya wraz z jego współpracowniczką Claudią Manzoni.
To przedłużające się zderzenie znacznie zwiększyło skuteczność odchylenia; zespół szacuje, że 1% całej masy Dimorphos zostało wyrzucone w przestrzeń kosmiczną przez uderzenie DART, dzięki niskiej prędkości ucieczki wynoszącej zaledwie 10 cm/s. Około 8% masy asteroidy zostało przesunięte wokół jej ciała.
A jeśli Dimorphos jest kupą gruzu - wiszącą na orbicie bardziej jak kiść winogron niż solidny monolit - to odkrycie to ma również ważne konsekwencje dla prawdopodobnego pochodzenia ciała. Wzmacnia to hipotezę, że księżyc powstał w wyniku wcześniejszego "wirowania" jego rodzica, wyrzucającego w przestrzeń równikowy materiał, który później połączył się w całość pod wpływem grawitacji.
"Ogólny obraz Dimorphos jako prawie niespójnego ciała ukształtowanego głównie przez słabą siłę grawitacji wydaje się zgadzać z naszymi obserwacjami z bliska innych asteroid" - zauważa Patrick Michel, dyrektor ds. badań w CNRS w Observatoire de la Côte d'Azur w Nicei i główny badacz Hery.
"Ryugu - odwiedzona przez Hayabusa2 - i Bennu - odwiedzona przez sondę NASA OSIRIS-REx - to bogate w węgiel asteroidy "klasy C", bardzo różniące się od bogatych w krzemiany "klasy S" Didymos i Dimorphos, ale wszystkie wydają się mieć porównywalny brak spójności. Nadal musimy zrozumieć i wyjaśnić to zachowanie, ponieważ nie możemy tworzyć statystyk dotyczących tylko trzech asteroid, ale ogólny brak spójności dla wszystkich małych asteroid jest intrygującą sugestią i byłby dobrą wiadomością dla obrony planetarnej, ponieważ jeśli wiemy z wyprzedzeniem, jak ciało zareaguje, ułatwi to zaprojektowanie odpowiednich narzędzi odchylających!"
Zespół składający się w sumie z 24 instytucji stanowi część większej międzynarodowej grupy roboczej Hera Science Working Group. Z niecierpliwością czekają, aby dowiedzieć się, czy najnowsze obserwacje ich kolegów dotyczące systemu Didymos potwierdzają aspekty ich modelowania, takie jak zmieniony kształt asteroidy i wynikające z tego perturbacje orbitalne, które ostatecznie zostaną w pełni wyjaśnione przez Herę.
Dziękujemy za polubienie
Ta strona została już polubiona, możesz ją polubić tylko raz!
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
