Миссия DART

Перед вами снимок двойного астероида Дидим: меньший астероид Диморф, или Дидим B, обращается вокруг более крупного Дидима A. Обратите внимание на заметный шлейф, образованный выбросом породы с поверхности Диморфа: снимок был сделан вскоре после столкновения астероида 26 сентября 2022 года с космическим аппаратом DART, запущенным в рамках одноименной миссии (ее название является сокращением от Double Asteroid Redirection Test — «эксперимент по изменению траектории двойного астероида»). Цель миссии DART — проверка реализуемости идей защиты от приближающихся к Земле астероидов с помощью космических аппаратов-«камикадзе».

DART, совместный проект NASA, европейского (ESA), итальянского (ASI) и японского (JAXA) космических агентств, представляет собой первый в истории освоения космоса эксперимент по изменению траектории небесного тела: столкнувшись с Диморфом, DART изменил траекторию, по которой тот обращался вокруг Дидима А. Эксперимент имел исключительно исследовательское значение: хотя орбита Дидима вокруг Солнца сильно вытянута и пересекает земную, этот астероид не представляет никакой опасности для нашей планеты. В обозримом будущем минимальное расстояние между ним и Землей будет составлять около шести миллионов километров.

Схема, иллюстрирующая изменение орбиты Диморфа после столкновения с DART. Фото с сайта dart.jhuapl.edu

Космический аппарат DART был разработан в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. Перед стартом он весил 610 кг. Он не нес никаких научных приборов: всё его оборудование составляли навигационные датчики — солнечный датчик (см. Sun sensor), звездный датчик и узкоугольная навигационная камера, используемая как для наведения аппарата, так и для фотографирования астероидов, а также бортовой компьютер и антенна для связи с Землей.

Основная двигательная установка, используемая для маневров и контроля ориентации, включала в себя 12 небольших гидразиновых двигателей; на аппарате также был установлен ксеноновый ионный двигатель NEXT-C с целью проверки его работы в космосе. Ионные двигатели более энергетически эффективны, чем классические химические двигатели, поэтому их использование на автоматических межпланетных станциях и искусственных спутниках Земли считается перспективным техническим решением.

Энергию для питания DART обеспечивали высокоэффективные солнечные батареи ROSA площадью 22 м² и мощностью около 3,5 кВт, которые изначально были свернуты в рулон: они развернулись, как только DART отделился от ракеты-носителя. Аппарат нес на себе итальянский спутник-кубсат LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids — «легкий итальянский кубсат для фотографирования астероидов») с двумя камерами.

Аппарат DART был запущен ракетой Falcon 9 с базы Ванденберг в ночь с 23 на 24 ноября 2021 года и преодолел расстояние до Дидима за 10 месяцев. 27 июля 2022 года его бортовая система наведения впервые идентифицировала Дидим, до которого оставалось 38 миллионов километров. За две недели до столкновения, 11 сентября, от аппарата отделился LICIACube и начал маневрировать, чтобы занять удобную для наблюдения за столкновением позицию. Он сделал и передал на Землю фотографии астероида в первые часы после удара (в частности, заглавное фото).

Отделение DART от второй ступени ракеты-носителя. Фото с сайта blogs.nasa.gov

Финальная стадия сближения началась 26 сентября в 19:14 UTC на расстоянии 89 тысяч километров до Диморфа: аппарат перешел на полностью автономное наведение по информации от своих навигационных датчиков (до этого он наводился с использованием сигналов с Земли). До столкновения с Диморфом оставалось ровно 4 часа. Приближаясь к астероиду, DART передавал на Землю снимки: последнее фото, на котором видны оба астероида, было сделано за 2,5 минуты до столкновения, с расстояния 920 км.

Снимок астероидов за 2,5 минуты до удара. Фото с сайта nasa.gov

А последний снимок, который аппарат успел целиком передать на Землю, он сделал с высоты 12 км, за 2 секунды до удара.

Снимок поверхности Диморфа, сделанный за две секунды до столкновения с DART. Фото с сайта dart.jhuapl.edu

В 23:14 UTC 26 сентября DART разбился о поверхность Диморфа: как и было запланировано, аппарат врезался в астероид, двигаясь ему навстречу, скорость сближения составила 6,25 км/с. Помимо LICIACube наблюдение за столкновением и тем, что происходило после, вели около сорока наземных телескопов (один из которых был расположен даже в Антарктиде) и два космических: «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». А также космический аппарат «Люси», направляющийся на исследование троянских астероидов Юпитера.

Телескопы, наблюдавшие за столкновением. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Даты миссии были выбраны не случайно: в конце сентября этого года расстояние между Землей и Дидимом достигло очередного локального минимума — 6,8 миллионов километров. В следующий раз Дидим окажется так близко к Земле только в 2062 году. А чем меньше расстояние до Дидима, тем более точных наблюдений можно ожидать от телескопов.

Момент удара, запечатленный телескопом Южноафриканской астрономической обсерватории. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

Предсказать заранее, на сколько уменьшится скорость астероида в результате столкновения, было невозможно. Казалось бы, нетрудно рассчитать это изменение теоретически, опираясь на закон сохранения импульса: изменения скоростей астероида и спутника обратно пропорциональны их массам, так что соответствующее вычисление представляет собой простую школьную задачу по физике. Но такой расчет не учитывает тот факт, что удар спровоцировал выброс породы с поверхности астероида. Эта порода в соответствии с принципом реактивного движения дополнительно затормозила его. При этом соответствующее изменение скорости могло в несколько раз превышать величину, определенную из закона сохранения импульса: точное значение зависит от свойств породы на поверхности астероида. Через две недели после столкновения, 11 октября, НАСА сообщило первые результаты эксперимента: вследствие столкновения период обращения Диморфа вокруг Дидима А уменьшился приблизительно на 32 минуты, с 11 часов 55 минут до 11 часов 23 минут. В середине декабря появились новые сведения: количество породы, выбитой с поверхности Диморфа, составляет от 1000 до 10 000 тонн, а изменение скорости астероида оказалось в 3,6 раз больше, чем предсказывает теоретический расчет для случая, когда выброс породы отсутствует. Эксперимент прошел успешно.

Интересно, как были получены данные о периоде обращения Диморфа. Размеры Дидима A (его диаметр составляет около 800 м), Диморфа (диаметром 160 м), расстояние между ними (около 1 км) и дистанция до них таковы, что с Земли оба астероида кажутся одной светящейся точкой даже в самые мощные оптические телескопы. Таким образом, непосредственное визуальное наблюдение за их взаимным расположением невозможно. Но выход есть. На каждом витке своей орбиты Диморф проходит перед Дидимом А, а спустя полпериода — за ним; в такие моменты яркость Дидима уменьшается. Фиксируя с помощью телескопов эти изменения яркости и определяя их период, легко установить период обращения Диморфа.

Изменение яркости Дидима в зависимости от взаимного расположения астероидов. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной — яркость; светлая вертикальная полоса на графиках отмечает момент времени, соответствующий изображенному на рисунке взаимному расположению Дидима А и Диморфа. Фото из пресс-кита миссии с сайта dart.jhuapl.edu

Второй способ определить взаимное расположение Диморфа и Дидима А — наблюдение за ними в радиодиапазоне. Дело в том, что разрешающая способность мощных радиотелескопов выше, чем оптических, так что на получаемых с их помощью изображениях можно отдельно различить и Дидим А, и Диморф. Сравнивая фактическое положение Диморфа с позицией, в которой он должен был бы находиться, если бы период его обращения не изменился, нетрудно вычислить новый период обращения.

Изображения Дидима А (светлая полоса посередине) и Диморфа (обведен зеленым кружком), полученные радиотелескопами обсерватории Голдстоун и Грин-Бэнк 4 и 9 октября 2022 года. Голубым кружком отмечено расчетное положение Диморфа, вычисленное в предположении, что его орбитальный период не изменился и по-прежнему составляет 11 ч 55 мин. Фото с сайта nasa.gov

Из описания результатов становится понятно, почему для эксперимента был выбран именно двойной астероид: в такой системе гораздо проще отследить изменение траектории небесного тела после столкновения. Еще одна причина, по которой в качестве цели был выбран именно Диморф, — подходящая масса (около 5 млн тонн, примерно столько же весит пирамида Хефрена): будь астероид намного крупнее, изменение его скорости оказалось бы слишком маленьким и с трудом поддавалось бы надежному измерению; напротив, слишком маленький астероид мог в результате столкновения сойти с орбиты (что также затруднило бы измерения) или даже быть полностью уничтожен.

Эксперимент DART является частью более крупного проекта AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment — «исследование возможности отклонения астероидов посредством столкновения»): вторая фаза этого проекта начнется в октябре 2024 года, когда к Дидиму будет запущен еще один космический аппарат, «Гера» (Hera). Он достигнет Дидима в конце 2026-го или в 2027 году. «Гера» будет оснащена фотокамерами, лидарным высотомером, двумя тепловизорами и доплеровским радаром; она также будет нести два кубсата, в список оборудования которых входят спектрометр, термогравиметр для определения характеристик пыли, радар и гравиметр. «Гера» и ее «помощники» проведут наблюдения за орбитой Диморфа и его поверхностью (особенно за кратером, образовавшимся вследствие столкновения с DART), получат сведения о размере и геоморфологии ударного кратера, соберут более точную информацию о физических характеристиках и геологическом строении обоих астероидов, а также картографируют большую часть их поверхности. Завершив свои исследования, «Гера», возможно, совершит посадку на один из астероидов.

Компьютерная графика, изображающая пролет «Геры» между Дидимом А и Диморфом. Фото с сайта commons.wikimedia.org

В заключение отмечу, что миссия DART стала не первым экспериментом, в ходе которого космический аппарат целенаправленно «бомбардировал» поверхность небесного тела. Еще в 2005 году отстреливаемое ударное устройство космического аппарата «Дип Импакт» столкнулось с ядром кометы Темпеля 1 (см. статью Астероиды — источники опасности и объекты исследований). А в 2019 году японский зонд «Хаябуса-2» сбросил подобную болванку на астероид Рюгу (см. картинку дня Астероид Рюгу «глазами очевидца»). Но целью этих двух экспериментов было не изменение траектории небесных тел, а анализ их физического и химического состава.

Фото с сайта nasa.gov.

Алексей Деревянкин