NASA uruchomiła nowoczesne narzędzie do oceny ryzyka uderzeń asteroid w Ziemię

NASA uruchomiła system monitoringu asteroid nowej generacji. Dzięki niemu Agencja lepiej będzie mogła ocenić zagrożenie, jakie dla naszej planety stwarzają poszczególne asteroidy.  Obecnie znamy 27 744 asteroid bliskich Ziemi. Jest wśród nich 889 obiektów o średnicy przekraczającej 1 km i 9945 asteroid o średnicy ponad 140 metrów. Jednak w najbliższym czasie ich liczba znacznie się zwiększy. Stąd potrzeba doskonalszego algorytmu oceny zagrożenia.

W ciągu najbliższych lat prace rozpoczną nowocześniejsze, bardziej zaawansowane teleskopy. Można się więc spodziewać szybkiego wzrostu liczy nowo odkrytych asteroid, których orbity trzeba będzie obliczyć i nadzorować.

W kulturze popularnej asteroidy są często przedstawiane jako obiekty chaotyczne, gwałtownie zmieniające kurs i zagrażające Ziemi. W rzeczywistości jednak są niezwykle przewidywalne i krążą wokół Słońca po znanych orbitach.

Czasem jednak z obliczeń wynika, że orbita asteroidy znajdzie się blisko Ziemi. Wówczas, ze względu na niewielkie niepewności co do dokładnej pozycji asteroidy, nie można całkowicie wykluczyć uderzenia. Astronomowie używają się złożonych systemów monitorowani i obliczania orbit, które automatycznie obliczają ryzyko zderzenia asteroidy z Ziemią.

Należące do NASA Center for Near Earth Object Studies (CNEOS) oblicza orbity dla każdej znanej asteroidy i przekazuje dane do Planetary Defense Coordinatio Office (PDCO). Od 2002 roku CNEOS wykorzystuje w tym celu oprogramowanie Sentry.

Pierwsza wersja Sentry to bardzo dobre oprogramowanie, które działa od niemal 20 lat. Wykorzystuje bardzo sprytne algorytmy. W czasie krótszym niż godzina potrafi z dużym prawdopodobieństwem ocenić ryzyko zderzenia z konkretną asteroidą w ciągu najbliższych 100 lat, mówi Javier Roa Vicens, który stał na czele grupy pracującej nad Sentry-II, a niedawno przeniósł się do SpaceX.

Sentry-II korzysta z nowych bardziej dokładnych i wiarygodnych algorytmów, które potrafią obliczyć ryzyko uderzenia z dokładnością wynoszącą ok. 5 na 10 000 000. Ponadto bierze pod uwagę pewne elementy, których nie uwzględniało Sentry.

Gdy asteroida wędruje w Układzie Słonecznym, o jej orbicie decyduje przede wszystkim oddziaływanie grawitacyjne Słońca. Wpływ na jej orbitę ma też grawitacja planet. Sentry z dużą dokładnością potrafi obliczyć wpływ sił grawitacyjnych, pokazując, w którym miejscu przestrzeni kosmicznej asteroida znajdzie się za kilkadziesąt lat. Jednak Sentry nie uwzględnia sił innych niż grawitacja. A najważniejszymi z nich są siły oddziałujące na asteroidę w wyniku ogrzewania jej przez Słońce.

Asteroidy obracają się wokół własnej osi. Zatem są ogrzewane przez Słońce z jednej strony, następnie ogrzana strona odwraca się od Słońca i stygnie. Uwalniana jest wówczas energia w postaci promieniowania podczerwonego, która działa jak niewielki, ale stały napęd. To tzw. efekt Jarkowskiego. Ma on niewielki wpływ na ruch asteroidy w krótki terminie, jednak na przestrzeni dekad i wieków może znacząco zmienić orbitę asteroidy. Fakt, że Sentry nie potrafił automatycznie uwzględniać efektu Jarkowskiego był poważnym ograniczeniem. Za każdym razem, gdy mieliśmy do czynienia z jakimś szczególnym przypadkiem – jak asteroidy Apophis, Bennu czy 1950 DA – musieliśmy ręcznie dokonywać skomplikowanych długotrwałych obliczeń. Dzięki Sentry-II nie będziemy musieli tego robić, mówi Davide Farnocchia, który pracował przy Sentry-II.

Ponadto oryginalny algorytm Sentry miał czasem problemy z określeniem prawdopodobieństwa kolizji, gdy orbita asteroidy miała znaleźć się niezwykle blisko Ziemi. Na takie asteroidy w znaczący sposób wpływa grawitacja planety i w takich przypadkach gwałtownie rosła niepewność co do przyszłej orbity asteroidy po bliskim spotkaniu z Ziemią. Sentry mógł mieć wówczas problemy i konieczne było przeprowadzanie ręcznych obliczeń i wprowadzanie poprawek. W Sentry-II nie będzie tego problemu. Co prawda takie szczególne przypadki stanowią obecnie niewielki odsetek wszystkich obliczeń, ale spodziewamy się, że po wystrzeleniu przez NASA misji NEO Surveyor i uruchomieniu Vera C. Rubin Observatory, ich liczba wzrośnie, musimy więc być przygotowani, mówi Roa Vicens.

NASA zdradza również, że istnieje zasadnicza różnica w sposobie pracy Sentry i Sentry-II. Dotychacz gdy teleskopy zauważyły nieznany dotychczas obiekt bliski Ziemi astronomowie określali jego pozycję na niebie i wysyłali dane to Minor Planet Center. Dane te były wykorzystywane przez CNEOS do określenia najbardziej prawdopodobnej orbity asteroidy wokół Słońca. Jednak, jako że istnieje pewien margines niepewności odnośnie obserwowanej pozycji asteroidy wiadomo, że orbita najbardziej prawdopodobna nie musi być tą prawdziwą. Rzeczywista orbita asteroidy mieści się w znanych granicach niepewności pomiarowej.

Sentry, by obliczyć prawdopodobieństwo zderzenia z Ziemią, wybierał zestaw równomiernie rozłożonych punktów w obszarze niepewności pomiarowej, uwzględniając przy tym jednak tę część obszaru, w której z największym prawdopodobieństwem znajdowały się orbity zagrażające Ziemi. Każdy z punktów reprezentował nieco inną możliwą rzeczywistą pozycję asteroidy. Następnie dla każdego z nich algorytm określał orbitę asteroidy w przyszłości i sprawdzał, czy któraś z nich przebiega blisko Ziemi. Jeśli tak, to skupiał się na tej orbicie, wyliczając dla niej prawdopodobieństwo uderzenia.

Sentry-II działa inaczej. Wybiera tysiące punktów rozłożonych na całym obszarze niepewności pomiarowej. Następnie sprawdza, które z możliwych punktów w całym regionie są powiązane z orbitami zagrażającymi Ziemi. Innymi słowy, Sentry-II nie jest ograniczony założeniami dotyczącymi tego, gdzie na obszarze marginesu błędu pomiarowego mogą znajdować się orbity najbardziej zagrażające Ziemi. Bierze pod uwagę cały obszar, dzięki czemu może wyłapać też bardzo mało prawdopodobne scenariusze zderzeń, które mogły umykać uwadze Sentry.

Farnocchia porównuje to do szukania igły w stogu siana. Igły to możliwe zderzenia, a stóg siana to cały obszar błędu pomiarowego. Im większa niepewność odnośnie pozycji asteroidy, tym większy stóg siana, w którym trzeba szukać. Sentry sprawdzał stóg siana wielokrotnie, szukając igieł wzdłuż pojedynczej linii przebiegającej przez cały stóg. Sentry-II nie korzysta z żadnej linii. Szuka w całym stogu.

Sentry-II to olbrzymi postęp w dziedzinie zidentyfikowania nawet najmniej prawdopodobnych scenariuszy zderzenia wśród olbrzymiej liczby wszystkich scenariuszy. Gdy konsekwencje przyszłego uderzenia asteroidy mogą być naprawdę katastrofalne, opłaca się poszukać nawet tych mało prawdopodobnych scenariuszy, mówi Steve Chesley, który stał na czele grupy opracowującej Sentry i pomagał przy pracy nad Sentry-II.

Szczegółowy opis Sentry-II znajdziemy na łamach The Astronomical Journal.

Poniższy film pokazuje zaś w jaki sposób określono orbitę asteroidy Bennu z uwzględnieniem sił grawitacyjnych i niegrawitacyjnych.

asteroida Ziemia uderzenie Sentry Sentry-II