Dette romfartøyet er klargjort for et enveisoppdrag for å avlede en asteroide

APL mottar DART romfartøystruktur

NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman





I et rent rom i bygning 23 ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland, ble et romfartøy kalt DART spredt åpent som et knust, kubisk egg. Et instrument kalt en stjernesporer – som vil, når DART er i det store rommet, fastslå hvilken vei som er opp – ble montert til kjernen, sammen med batterier og en rekke andre sensorer. Avionikksystemet, DARTs sentrale datamaskin, var tydelig festet til firkantede, presisjonsbearbeidede paneler som vil danne sidene når romfartøyet er brettet opp. Ledninger gikk fra datamaskinen til radiosystemet som DART skal bruke for å kommunisere med jorden. Gyroskoper og antenner ble eksponert. I et rom ved siden av ventet et eksperimentelt thrustersystem kalt NEXT-C på tur. Store bunter med tykke ranker pakket inn i sølvisolasjon hang ned fra romfartøyet og løp langs gulvet til kontrollrommet, hvor de koblet til et ruvende batteri av testbed-datamaskiner drevet av fire ingeniører.

En klokke over en av datamaskinene viser, Days to DART Launch: 350:08:33.

Det langsiktige problemet

Denne historien var en del av november 2020-utgaven vår



  • Se resten av saken
  • Abonnere

DART – Double Asteroid Redirection Test – er designet for å krasje inn i en asteroide kalt Dimorphos. Påvirkningen vil endre Dimorphos' hastighet med omtrent en millimeter per sekund, eller en femhundredel av en mil i timen. Selv om Dimorphos ikke er i ferd med å kollidere med jorden, er DART ment å demonstrere evnen til å avlede en asteroide som den er gikk vår vei, dersom en noen gang skulle bli oppdaget.

Siden en sovjetisk sonde kalt Luna 1 ble det første romfartøyet til å unnslippe jordens bane 2. januar 1959, har menneskeheten sendt rundt 250 sonder inn i solsystemet. DART er unik blant dem. Det er den første som tar sikte på ikke å studere solsystemet, men å endre det.

I 1980 hadde astronomer bestemt banene til rundt 10 000 asteroider, inkludert 51 jordnære asteroider (sammen med 44 jordnære kometer). I dag har tallene svulmet opp: Minor Planet Center holder styr på rundt 800 000 asteroider totalt, hvorav nesten 24 000 har baner som tar dem nær jorden. De aller fleste av disse har blitt oppdaget siden 1998, da kongressen ga NASA 10 år til å identifisere hvert jordnære objekt som er større enn én kilometer (0,6 miles) i diameter. Takket være statistiske analyser tror astronomer at de har funnet rundt 95 % av de store jordnære asteroidene, den typen som ville ødelegge sivilisasjonen dersom de traff planeten vår.



DART kontrollrom nedtellingsklokke

Startklokken for nedtelling på APL.

NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMAN

Jorden flytter avstanden til sin diameter hvert syvende minutt. Hvis ankomsttiden til et innkommende objekt kan endres med mer enn ca. 10 minutter, vil det savne oss. (Detaljene avhenger selvfølgelig av den spesielle banen; de ekstra tre minuttene skal gjøre rede for effekten av jordens gravitasjonskraft.)

Didymos er omtrent en halv mil på tvers. Dimorphos er omtrent 500 fot i diameter - omtrent på størrelse med en liten sportsstadion. Ingen vet ennå hvordan det ser ut, fordi det er for lite og langt unna for detaljerte observasjoner fra teleskoper på eller nær jorden. De to asteroidene er omtrent en halv mil fra hverandre; Dimorphos går i bane rundt den større asteroiden med en hastighet som er lavere enn en persons gange.



I 2005 ga kongressen NASA nye ordre om å katalogisere alle jordnære objekter over 140 meter (460 fot) i diameter - objekter hvis innvirkning ville være katastrofal i stedet for apokalyptisk. Dette arbeidet fortsetter, og i 2016 etablerte NASA Planetary Defense Coordination Office for å koordinere de utallige amerikanske og internasjonale byråene som ville bli mobilisert hvis en destruktiv gjenstand ble oppdaget på vei. DART er gruppens første oppdrag.

Vi trenger ikke å være ofre for kosmos, sier Lindley Johnson, som leder kontoret. Hvis vi står overfor den situasjonen, vil vi ikke at den første virkelige bruken av asteroideavbøyning skal være en ting som må lykkes. DARTs mål er todelt: å bevise at et romfartøy kan treffe en asteroide, og å måle effekten av kollisjonen.

Tidligere forslag så for seg å bruke to kjøretøy: ett for å kollidere, og et annet, sendt på forhånd, for å se kollisjonen og måle effektene. Det virket som det eneste alternativet fordi med en asteroide som reiser i 30 kilometer per sekund, ville endringen i hastigheten på millimeter per sekund forårsaket av en kollisjon være svært vanskelig å måle ved å bruke teleskoper basert på eller nær Jorden. Men dette var dyrt: opptil 1 milliard dollar.



Så, tidlig i 2011, hadde Andy Cheng, sjefforskeren som studerer planetarisk forsvar ved Applied Physics Laboratory, en åpenbaring. I stedet for å sende to romfartøyer, ville planen hans sende et enkelt fartøy til å krasje inn i en liten asteroide som går i bane rundt en større. Astronomer kunne da bruke et smart triks for å måle kraften til slaget.

Hver 12. time går det rundt og rundt, alltid det samme. Det vi gjør med DART er å slå klokken.'

Dette enklere oppdraget ville bare koste rundt 250 millioner dollar – et relativt røverkjøp. Endringen var avgjørende for å få NASA til å godkjenne DART. Til slutt bidro den italienske romfartsorganisasjonen med et romfartøy på størrelse med skoeske kalt LICIACube til piggyback på DART, som vil hjelpe med observasjoner uten å øke kostnadene betydelig.

Chengs mål, Dimorphos, ble oppdaget i 2003 i bane rundt en større asteroide. Etter oppdagelsen fikk den større kroppen navnet Didymos, det greske ordet for tvilling. Månen fikk navnet sitt i 2020. Sett fra jorden passerer dens bane noen ganger foran og bak Didymos, noe som delvis blokkerer den større asteroiden på hver omdreining. Ved å bruke bakkebaserte teleskoper kan du gjøre en veldig presis måling av banen ved å se på fallene i lys, sier Cheng. En lignende teknikk brukes til å identifisere eksoplaneter som kretser rundt fjerne stjerner.

Banen til Dimorphos rundt Didymos er akkurat som en tikkende klokke, sier Tom Statler, DART-oppdragets programforsker ved NASA-hovedkvarteret. Hver 12. time går det rundt og rundt, alltid det samme. Det vi gjør med DART er å slå klokken. Alt astronomer trenger å gjøre er å måle hvor fort klokken tikker før sammenstøtet, og deretter måle den igjen etterpå. De forventer at omløpsperioden vil endre seg med omtrent 10 minutter, eller litt over 1 %.

Dette er nok informasjon til å tillate dem å anslå tallet de bryr seg mest om: noe som kalles impulsoverføringseffektiviteten, vanligvis referert til med den greske bokstaven β. Som navnet tilsier, er det et mål på hvor mye av romfartøyets momentum som overføres til asteroiden (i motsetning til for eksempel å banke steiner av den). Jo større β er, desto mer effektiv vil DART ha vært i å endre Dimorphos sin kurs.

Å fastslå β er viktig fordi for å beskytte mot asteroide-nedslag, må vi være i stand til å forutsi hvor mye man vil rikke seg når et romfartøy treffer den. Som Cheng og medforfattere skrev i en artikkel fra 2020, er bestemmelsen av β fra DART-målinger og modellering et kritisk viktig mål for planetarisk forsvarsvitenskap.

Noen få antagelser vil gå inn i DART-teamets beregning av β. Grovt sett vil de anslå størrelsen til Dimorphos ved å analysere bilder som DART og LICIAcube vil ta. Dette tallet, kombinert med en utdannet gjetning på asteroidens tetthet, gir dem et estimat for massen. At antall, kombinert med observasjoner av endringen i omløpsperiode, lar dem estimere β. (Det er, ja, mye estimat involvert.)

DART Mission konsept

NASAs Double Asteroid Redirection Test (DART) vil være det første romoppdraget noensinne designet for å teste planetarisk forsvarsteknologi. DART vil endre Dimorphos' hastighet nok til å bli målt av jordbaserte teleskoper. (Illustrasjonen skal ikke måles.)

NASA/JOHNS HOPKINS APL

Ingenting av dette vil imidlertid fortelle astronomene hvorfor β tok den spesielle verdien for DART-Dimorphos-kollisjonen. Asteroider er forskjellige i størrelse og sammensetning. Ikke mye er kjent om deres indre struktur. Ingen vet med sikkerhet om DART vil lage et stort eller et lite krater. Vi forventer at disse faktorene er avhengig av topografien til hvor DART treffer, sier Andy Rivkin, som leder DART-vitenskapsteamet med Cheng.

Med andre ord: Vil romfartøyet treffe en åsside eller flat mark? Blir det steinblokker? Hard eller myk rock? Grus? Skitt? Og som et resultat, hvor mye ejecta vil DART skape? Hvilken retning vil utkastet gå, og hvor fort? Ejecta som flyr av gårde i én retning gir asteroiden et spark i motsatt retning, så svaret påvirker den endelige verdien av β.

Teamet planlegger å sammenligne dataene DART samler inn med datasimuleringer av lignende påvirkninger. Dette vil gjøre dem i stand til å forbedre modellene sine, slik at de bedre kan beregne hva slags prosjektil det vil ta for å avlede en fremtidig asteroide på vei mot jorden.

Å bygge et romfartøy er å teste et romfartøy. Det er dyrt å komme seg til verdensrommet; målrettet mot en fjern asteroide enda mer. Ting må fungere første gang.

På en augustdag da jeg besøkte APL, satt Rosanna Smith, DARTs fremdriftstestleder, i kontrollrommet og overvåket tester av romfartøyets hydrazin-thrustere. Hver komponent var allerede testet – mange ganger – individuelt. Nå ble de testet igjen, som deler av en helhet. DART ble koblet til testbed-datamaskiner som matet den med data, noe som fikk disse komponentene til å oppføre seg som om de var i verdensrommet. Thrusterne skjøt ikke, men romfartøyets avionikk reagerte som om de hadde gjort det. Hvis en anomali ble oppdaget, forklarte Smith, ville ingeniørene stoppe for å vurdere sonden. De kan kle seg og gå inn i det rene rommet, feste et oscilloskop til romfartøyet og se hva som foregikk.

Målet var å få data om DARTs grunnlinjeytelse. I ukene som kom planla ingeniører å utsette romfartøyet for vibrasjonstester: riste det voldsomt, fysisk tilnærmet påkjenningene fra utskytings- og flymanøvrer, for å se hva, om noe, gikk i stykker. De planla å sette romfartøyet i et termisk vakuumkammer for å simulere rommet, og kjøre det gjennom varme og kalde sykluser. Etter hver aktivitet utførte de dagens tester på nytt, og sammenlignet resultatene med grunnlinjen for å se hva som endret seg og ikke endret seg.

Vanligvis kan det være et dusin personer i rommet som kjører tester. Men, som mye annet, har DARTs monteringsprosedyrer endret seg som svar på pandemien. APL har installert kameraer i hele anlegget. De som jobber hjemmefra kan ringe inn for å se hva som skjer. Stemmene deres kom fra høyttalere, og ingeniørene i rommet reagerte tilfeldig, som om de snakket med spøkelser.

Reisen fra Jorden til Didymos tar 14 måneder. DART vil skyte opp på en Falcon 9-rakett fra Vandenberg Air Force Base på kysten av California, 130 miles nordvest for Los Angeles. Romfartøyet vil ta av mot sør, og vil sirkle rundt solen én gang før de møter asteroidene noen uker etter deres nærmeste tilnærming til Jorden, når Didymos og Dimorphos vil være omtrent 6,8 millioner miles unna, omtrent 30 ganger lenger enn månen. Banen ble designet for å minimere energien som kreves for å lansere DART, og for å time innvirkningen for en nærtilnærming slik at jordbaserte teleskoper kan få et best mulig blikk på kollisjonen.

Men først må DART finne Didymos. Tretti dager før nedslaget vil romfartøyet begynne å samle optiske navigasjonsbilder mens det nærmer seg tvillingasteroidene i nesten 15 000 miles per time. Astronomer kjenner ikke asteroidenes baner med den nøyaktigheten som er nødvendig for et forhåndsprogrammert nedslag, og de vil fortsatt ikke gjøre det når et system ombord kalt SMART Nav tar over. Oppdragsplanen krever at DART ikke skal treffe mer enn 50 fot utenfor det planlagte målpunktet, men da vil usikkerheten om Didymos sin bane fortsatt være på tusenvis av fot, og for den mye mindre Dimorphos vil den være enda større.

Fire timer ute slår vi på SMART Nav, og den identifiserer Didymos og begynner å søke etter Dimorphos, som vi prøver å treffe, sier Elena Adams, DART-oppdragets sjefingeniør. Det er stråling i rommet og støy i detektoren, så algoritmene sammenligner piksler i synsfeltet. En time før påvirkning bør programvaren finne Dimorphos. Etter at den har funnet ut pikselen den vil ha, og at den er på rett plassering, og at den gir mening, er det da den bytter fra å målrette hovedasteroiden til å målrette mot månen, legger hun til.

Selv om astronomer visste posisjonen til Dimorphos med total nøyaktighet, kunne ikke DART forhåndsprogrammeres til å utføre den nødvendige manøveren med nok presisjon til å treffe den. Ingen thrustere er noen gang perfekt justert, og ingen thruster-ytelse er noen gang perfekt modellert. For hver manøver trenger et romfartøy oppfølgende korreksjonsmanøvrer for å ta høyde for avvik. SMART Nav gjør det autonomt. Dessuten vil DART bruke thrusterne sine for å holde seg pekt i riktig retning; dette vil endre banen med flere fot. Alle slike avvik vil bli fortløpende evaluert og korrigert av SMART Nav i de siste timene før påvirkning. For typiske romfartøysmanøvrer utført av mennesker, til sammenligning, tar det vanligvis timer eller dager å beregne og utføre dem, og deretter vurdere ytelsen for å designe en korreksjon. Mens du foretar banejusteringer, holder SMART Nav romfartøyets solarrays rettet mot solen og høyforsterkningsantennen pekt mot jorden, og sender tilbake bilder av Didymos og Dimorphos omtrent hvert annet sekund. Når romfartøyet nærmer seg asteroiden, vil hydrazin-thrusterne ofte skyte for å holde målet innenfor kameraets smale synsfelt.

SMART Nav vil slutte å utføre manøvrer omtrent to minutter før sammenstøtet, og romfartøyet vil gli inn i asteroiden. Vi oppnår den nødvendige oppløsningen av nedslagsstedet omtrent 20 sekunder før sammenstøtet og sender det siste bildet til jorden i løpet av de siste syv sekundene etter nedslaget, sier Adams. Og så – bom!

Kinetiske impactorer som DART er ikke den eneste måten å avlede en innkommende asteroide. NASA har vurdert å detonere en atombombe nær en asteroide for å avlede den. Dette frigjør mye mer energi for å skyve asteroiden vekk, men risikerer å fragmentere den i mange mindre prosjektiler med uforutsigbare baner; noen kan fortsatt treffe jorden. Andre alternativer inkluderer slepebåter, som vil parre seg med en asteroide og skyve den ut av kurs med sakte, jevn skyvekraft eller gravitasjonstraktorer, romfartøy som vil fly nær en asteroide og, i løpet av år eller tiår, sakte trekke den av kollisjonen. kurs ved kraften av deres egen tyngdekraft.

Begge disse alternativene er mer teknisk kompliserte enn en kinetisk impactor som DART. Men DART tester også teknologier som kan brukes på påfølgende romfartøy.

Den skal for eksempel demonstrere den nye ionthrusteren, NEXT-C. Dette er ikke nødvendig for DARTs oppdrag, som først og fremst vil stole på konvensjonelle kjemiske raketter. Men ionthrustere, som bruker elektrisitet til å generere momentum, er mye mer effektive enn deres kjemiske motstykker. Med noen få hundre pund drivstoff kan de oppnå det som ville tatt titusenvis av pund kjemisk drivstoff som hydrazin. Bare to romfartøy – Deep Space One og Dawn – har brukt ion-thrustere i det store rommet, og NEXT-C er omtrent tre ganger kraftigere enn de på disse oppdragene.

For å generere elektrisiteten til å drive NEXT-C, vil DART også bruke en ny utrullbar solcellepanel som er lettere enn vanlige sammenleggbare solcellepaneler. Ved å gi potensielle planetariske forsvarere flere baner å velge mellom, vil sofistikerte fremdriftssystemer tillate slagmotorer å treffe innkommende asteroider i høyere hastigheter.

illustrasjon av romfartøyet DART

En gjengivelse av DART-romfartøyet, med dens eksperimentelle NEXT-C-ionemotorfyring.

NASA/JOHN HOPKINS APL

Jo før man kan oppdage en asteroide – eller et annet objekt, som en komet – som er på vei mot jorden, jo lettere blir det å gjøre noe med det. Nesten alle asteroidene som kan utgjøre en trussel mot livet på jorden på utryddelsesnivå, er allerede funnet. Dette er enorme steiner som er flere kilometer i diameter, og ingen av de kjente truer menneskeheten i det nærmeste. (Chicxulub-nedslaget som førte til utryddelsen av dinosaurene antas å ha involvert et objekt i størrelsesorden 10 miles i diameter.) Men astronomer har ikke funnet alle de mindre, men likevel farlige, asteroidene – som meteoren som eksploderte ovenfor Chelyabinsk, Russland, i 2013, med kraften til en middels stor atombombe. Tsjeljabinsk-objektet var omtrent 20 meter i diameter; dens streik knuste vinduer for 200 kvadratkilometer midt på vinteren i et svært befolket område. Sytten hundre mennesker ble skadet, de fleste av knust glass.

For førti år siden visste vi ikke om vi kunne bli utslettet av en gigantisk morderasteroide en uke fra neste tirsdag. Den spesielle risikoen for uvitenhet har blitt trukket tilbake, sier Statler, DART-programforskeren. Men objekter mindre enn 500 fot, omtrent på størrelse med Dimorphos, er vanskelige for nåværende observatorier, både terrestriske og satellittbaserte, å oppdage. (En asteroide på 500 fot i diameter ville truffet med omtrent nedslaget av den største atombomben i historien.) Akkurat nå, sier Statler, er kanskje en fjerdedel av det totale antallet potensielt farlige små objekter identifisert. Hvis vi ikke vet hvor de er, sier han, så har vi ikke evnen til å forutsi når en påvirkning kan oppstå og når vi må gjøre en avbøyning.

Overvåkingsmisjonen for nær-jordobjekter på en halv milliard dollar, et orbitalt infrarødt teleskop som finansieres av Planetary Defense Coordination Office, skal lanseres senere dette tiåret, og det bør bidra til å løse det problemet. Fordi den observerer i infrarøde bølgelengder, vil den ha større evne enn teleskoper med synlig lys til å se mot solen. Den vil kunne oppdage gjenstander som ligger badet i sollys, og dermed ikke er synlige for bakkebaserte teleskoper. I tillegg vil Vera Rubin-observatoriet, et nytt teleskop som bygges i Chile, søke etter farlige objekter ved hjelp av et 3200 megapiksel kamera, det største som noen gang er brukt i astronomi. Vårt håp om ytterligere 20 år er å si: 'Jepp, vi har også trukket tilbake den risikoen, og vi vet hvilke vi skal holde øye med,' sier Statler.

Jo raskere en innkommende gjenstand blir funnet, desto mindre kraftig må en menneskeskapt slagkraft være for å gjøre jobben. Hvis en farlig asteroide eller komet oppdages i 11. time, vil det kreve mye mer energi å endre kursen tilstrekkelig.

LICIACube vil skilles fra et rom på toppen av DART 10 dager før sammenstøtet og distribuere sine egne små solcellepaneler. Når den lille kubesaten henger tilbake for å se, vil DART treffe Dimorphos.

Romfartøyet vil sannsynligvis bli knust i svært små biter, noen blir til pulver. De fleste av restene vil bli sprengt ut igjen som utkast når krateret dannes. Det er mulig at store strukturelle medlemmer kan overleve, selv om de vil bli begravet så dypt som 10 fot inn i asteroiden. LICIACube vil observere ejecta-plummen når den kommer ut, og vil også fotografere Dimorphos sin andre side når den går forbi. Men den vil ikke ha et middel til å bremse – LICIACube vil fortsette å suse forbi Dimorphos inn i verdensdypet.

Den europeiske romfartsorganisasjonen planlegger et oppdrag kalt Hera, som skal lanseres i 2024 og besøke Dimorphos på nytt tidlig i 2027 for å ta mer presise målinger av massen, studere sammensetningen og bestemme β med enda større presisjon. Hera vil bære to cubesats av sine egne, og vil reise rundt i Didymos-Dimorphos-systemet i en planlagt tre til seks måneder, og samle langt mer data.

Hvis alt går bra, vil DART forlate jorden i slutten av juli 2021. Den 30. september 2022 vil den slutte å eksistere – år med innsats fra hundrevis av mennesker forvandlet til en dytt, den første av en ny æra.

gjemme seg