Вломи ему, Дарт!

24 ноября 2021 года в космос должен стартовать космический аппарат NASA DART, который опробует на практике один из методов защиты Земли от астероидов — кинетический таран. Ученые ожидают, что столкновение аппарата с 160-метровым астероидом из системы Дидим изменит орбиту последнего. Рассказываем, как устроены DART и его миссия, и какие еще есть способы уберечь Землю от небесного апокалипсиса.

На поверхности самых разных тел Солнечной системы есть ударные кратеры, следы столкновений с другими космическими объектами. На Земле они тоже есть, около двухсот, просто их хуже видно — затягивать раны нашей планете помогает интенсивная эрозия. Самому старому известному земному кратеру — Яррабуббе — 2,2 миллиарда лет. В наш век человечество пока что лишь наблюдает болиды и падения метеоритов, которые не порождают крупные катаклизмы, хотя могут наделать немалый переполох.

Считается, что бомбардировка Земли крупными телами в ранний период ее существования могла способствовать зарождению жизни, так как падающие с неба глыбы поставляли на молодую планету водяной лед и органические молекулы. Однако с развитием жизненных форм на Земле все изменилось — небесные бомбардировки могли быть для них смертельны, как это было с астероидом, после которого в Мексиканском заливе появился кратер Чиксулуб. Сегодня принято считать, что именно падение тела диаметром больше десяти километров вызвало мел-палеогеновое массовое вымирание, в ходе которого погибли динозавры. Подобные катаклизмы, по оценкам исследователей, могут происходить раз в 250–500 миллионов лет. Чиксулубу идет 67-й миллион.

Чтобы отличать небесные тела, способные ввергнуть нашу планету в хаос, от безобидных астероидов и комет, астрономы ввели понятие «потенциально опасного астрономического объекта». Этот титул получают все тела размером больше 150 метров, которые могут подойти к земной орбите на дистанцию менее 19,5 расстояний от Земли до Луны. Степень «грозности» астероидов и комет ученые измеряют также по Туринской и Палермской шкалам — они связывают опасность небесного тела для Земли с его размерами, кинетической энергией и вероятностью столкновения с нашей планетой (подробнее об оценке опасности астероидов читайте в материале «Как разобраться с астероидом без прокуратуры»).

Так как Солнечная система динамически активна, а наблюдения за потенциально опасными для планеты телами ведутся постоянно, их статус нередко меняется. Так, например, 450-метровый астероид Апофис первоначально имел оценку 4 из 10 по Туринской шкале — это соответствует «тесному сближению с Землей, вызывающему беспокойство», — а через 17 лет был признан практически безвредным и вовсе исключен из списка потенциально опасных объектов. А вот 500-метровый астероид Бенну, после того как к нему слетала межпланетная станция OSIRIS-REx, недавно неожиданно получил оценку -1,6 по шкале Палермо, став наиболее опасным на сегодня для нашей планеты объектом.

Что у Земли в арсенале

Кажется, что при возникновении реальной угрозы столкновения Земли с крупным небесным телом человечество обязательно что-нибудь придумает (придумало же оно фильм «Армагеддон») и спасется. Однако в действительности пока мы умеем лишь следить за потенциально опасными телами в оптике и радиодиапазонах. Мониторинг постоянно совершенствуется: увеличивается число телескопов (как наземных, так и космических), уже существующие модернизируются, сам процесс наблюдения и обработки данных автоматизируется — так что мы сможем предсказать время и место падения подобного тела на Землю за несколько дней до этого. Но на этом, собственно, все и заканчивается. 

Методик планетарной защиты придумано несколько, однако пока ни одна из них на практике не проверялась. 

Взорвать. Все тот же «Армагеддон» или «Столкновение с бездной» подсказывают, что победить астероид можно, установив и подорвав ядерный или термоядерный заряд на астероиде или ядре кометы. Взрыв разрушит угрожающее Земле тело на множество более мелких фрагментов, каждый из которых будет уже не так опасен, чем вся космическая глыба целиком. В частности, Апофис предлагалось подорвать аппаратом-перехватчиком с шестью термоядерными бомбами B83 мощностью 1,2 мегатонны каждая. Мощность термоядерных боеприпасов ограничена лишь возможностями носителя и количеством имеющихся компонентов, однако чтобы осуществить подобную операцию, нужно знать об угрозе столкновения задолго до него, четко просчитать траекторию движения тела и держать под рукой готовый к полету ядерный перехватчик, иначе можно просто не успеть. Кроме того, не всегда можно гарантировать, что обломки все равно не нанесут ощутимый вред Земле.

Толкнуть. Другой вариант защиты предусматривает таран астероида аппаратом-ударником (одним или несколькими), чтобы изменить его импульс и, как следствие, траекторию движения. И тут опыт у нас уже есть: в 2005 году аппарат Deep Impact сбросил небольшой импактор на ядро кометы Темпеля 1, который столкнулся с ним на скорости 10 километров в секунду. Однако тогда все это делалось исключительно в научных целях — ученым был интересен состав кометы, а не изменения ее траектории за счет удара.

Использовать силу гравитации. Можно попытаться отклонить астероид «гравитационным трактором» в виде достаточно массивного аппарата, который сопровождал бы объект, зависнув над ним, и таким образом менял его траекторию за счет гравитационного поля. Этот метод должна была проверить миссия ARM (Asteroid Redirect Mission), однако в 2017 году проект закрыли.

На этом список идей не заканчивается, но все остальные (пока) не рассматривались всерьез, а их авторы ограничивались лишь теоретическими расчетами. 

• Можно попытаться отклонить тело направленным потоком плазмы из двигателей космического аппарата или оснастить его солнечным парусом из пленки; 
• испарить его вещество за счет лазерной абляции; 
• доставить на поверхность объекта ракетные двигатели, чтобы те в ходе своей работы изменили траекторию движения; 
• покрасить одну из сторон астероида в белый цвет (например диоксидом титана), чтобы увеличить влияние эффекта Ярковского. 

Тем временем, как бы безумно это ни звучало, человечеству не помешал бы проверенный на практике метод защиты от астероидно-кометной опасности — хоть мы и не можем предсказать, когда именно придет их звездный час.

Догнать и ударить

Проект DART (Double Asteroid Redirection Test — испытание перенаправления двойного астероида) был одобрен NASA в 2018 году и стал первым в своем роде проектом испытания планетарной защиты. Выбор агентства в этот раз пал на метод кинетического тарана. Стоимость разработки первого кандидата на роль защитника Земли составила 324,5 миллиона долларов за три года работ (для сравнения: годовые военные бюджеты крупных стран исчисляются в десятках и сотнях миллиардов). 

В качестве цели ученые выбрали двойной астероид (65803) Дидим из семейства Аполлонов, открытый в 1996 году. Вокруг его 780-метрового основного тела обращается с периодом 11,9 часов 160-метровый спутник Диморф (скорее всего, фрагмент Дидима). Орбита астероида пересекает земную, так что он относится к потенциально опасным. В ноябре 2123 года он подлетит к Земле на расстояние 5,9 миллиона километров.

Диморф удобен по двум критериям — он относительно мал по сравнению с другими астероидами и достаточно близок к Земле, что позволяет достаточно точно оценить результаты тарана. 550-килограммовый аппарат должен развить скорость 6,6 километра в секунду и врезаться в астероид, масса которого составляет около 4,8 миллионов тонн. По расчетам, период обращения Диморфа вокруг Дидима изменится на 4–7 минут. Однако на практике процесс столкновения будет, естественно, устроен сложнее, чем показывают модели. В частности, если при столкновении ударника с астероидом в пространство будет выброшено большое количество вещества, то эффект кинетического тарана может усилиться. Это усиление описывается коэффициентом β, равным отношением импульса цели после столкновения к импульсу импактора.

Здесь сокрыта еще одна цель DART — помочь ученым проверить модели изменения β-коэффициента в зависимости от скорости ударника, угла столкновения, внутренней структуры цели и свойств ее вещества, таких как прочность или ударная вязкость. Исследователи предсказывают, что на β-коэффициент сильнее влияет степень пористости недр астероида, а не его минеральный состав. Кроме того, в случае сильно неоднородных тел типа «кучи щебня» (таким, к примеру, является астероид Бенну) огромную роль будет играть район, куда попадает ударник. В случае пары DART–Диморф модели предсказывают, что эффект тарана усилится в 1,5–2 раза за счет выброса вещества с поверхности астероида.

Ударник и испытатель

DART не только будет биться с Диморфом, но и опробует в полете ряд технологических новинок. Для миссии была разработана новая система автономной оптической навигации в реальном времени SMART Nav (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation), она будет управлять космическим аппаратом в последние четыре часа перед столкновением. Электроэнергию аппарат будет получать при помощи гибких разворачиваемых 8,5-метровых солнечных батарей ROSA, которые испытывали на МКС. 

В качестве двигательной установки, помимо ксенонового ионного двигателя NEXT, на аппарате в тестовом режиме поработает двигатель NEXT-C (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster–Commercial), его в дальнейшем планируют устанавливать на межпланетные аппараты. Кроме того, для связи с Землей DART получил новый тип антенны с высоким коэффициентом усиления RLSA (Spiral Radial Line Shot Array).

Стартовая масса аппарата — 610 килограммов, а без солнечных батарей он похож на куб с размерами 1,2×1,3×1,3 метра. Полезная нагрузка DART включает в себя солнечные и звездные датчики, а также камеру DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation) с апертурой 20,8 сантиметров, которая получит четкие изображения астероидов, последние из которых будут сделаны за 20 секунд до столкновения. Кроме того, вместе с DART к Дидиму отправится кубсат LICIACube с двумя оптическими камерами — он отделится от основного аппарата за 10 дней до тарана астероида и будет следить за ходом всего процесса, передавая снимки на Землю (нечто подобное NASA делали, сажая на Марс аппарат InSight, но тогда миссия кубсатов была проще).

План-перехват

В космос DART выведет ракета-носитель Falcon 9. Стартовое окно открывается 24 ноября 2021 года и продлится до февраля 2022-го. Аппарат должен прибыть к Дидиму в конце сентября 2022 года, а 2 октября пойти на таран. В этот момент расстояние между Дидимом и Землей будет всего 11 миллионов километров, его смогут наблюдать наземные телескопы. Для наблюдателя с Земли система астероидов затменная — Диморф периодически проходит впереди и позади Дидима и потому, отслеживая изменения яркости этого объекта, можно будет определить, изменилась ли орбита Диморфа после его столкновения с DART. 

Через два года после этого, в октябре 2024 года, к Дидиму отправится европейская межпланетная станция Hera. Она прибудет к астероидам в 2027 году и доставит к системе спутники-кубсаты APEX (Asteroid Prospection Explorer) и Juventas, последний в конце своей миссии сядет на Диморф. Аппараты, во-первых, подтвердят факт изменения орбиты Диморфа, а затем займутся исследованиями физических свойств астероидов: их состава, внутренней структуры, а также ландшафта — в том числе и ударного кратера от столкновения с DART.

Александр Войтюк