Forskere designer konceptuel asteroideafviser og evaluerer den mod en massiv potentiel trussel

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere er en del af et nationalt planetarisk forsvarshold, der designede et konceptuelt rumfartøj til at afbøje jordbundne asteroider og evaluerede, om det ville være i stand til at skubbe en massiv asteroide - som har en fjern chance for at ramme Jorden i 2135 - selvfølgelig. Designet og casestudiet er skitseret i et papir offentliggjort for nylig i Acta Astronautica .

Den 9 meter høje, 8,8-tons rumfartøj – kaldet HAMMER (Hypervelocity Asteroid Mitigation Mission for Emergency Response Vehicle) – har et modulært design, der ville gøre det muligt at tjene som enten en kinetisk impactor, i det væsentlige en slagram, eller som transportkøretøj til en nuklear enhed. Dens mulige mission:Deflect 101955 Bennu, en massiv asteroide på omkring 500 meter (mere end 5 fodboldbaner) i diameter, vejer omkring 79 milliarder kg (1, 664 gange så tung som Titanic), kredser om solen omkring 63, 000 mph. Baseret på tilgængelige observationsdata, Bennu har en 1 i 2, 700-chance for at ramme Jorden den 25. september, 2135, og det anslås, at den kinetiske energi af dette påvirkning ville svare til 1, 200 megatons (80, 000 gange energien fra Hiroshima-bomben).

"Chancen for en påvirkning er lille nu, men konsekvenserne ville være alvorlige, " sagde Kirsten Howley, LLNL fysiker og medforfatter på papiret. "Denne undersøgelse har til formål at hjælpe os med at forkorte reaktionstidslinjen, når vi ser en klar og tilstedeværende fare, så vi kan have flere muligheder for at aflede den. Det ultimative mål er at være klar til at beskytte liv på Jorden."

Indsatsen er en del af et nationalt planetarisk forsvarssamarbejde mellem National Aeronautics and Space Administration (NASA) og National Nuclear Security Administration (NNSA), som omfatter LLNL og Los Alamos National Lab. Af de tre ben af ​​planetarisk forsvar, NASA er ansvarlig for den første, at opdage asteroider med tilstrækkelig tid til at mindske risikoen. LLNL planetariske forsvarshold er den tekniske leder på den anden spids, afbødning af truslen. LLNL-teamet støtter også det tredje ben, nødberedskab.

Den foretrukne tilgang til at afbøde en asteroidetrussel ville være at afbøje den ved at ramme en kinetisk impactor ind i den, giver et blidt skub stort nok til at bremse det, men ikke så stor, at genstanden går i stykker. Denne undersøgelse hjalp med at kvantificere den tærskel, hvor en kinetisk impactor ikke længere ville være en effektiv afbøjningsmulighed. For at evaluere denne tærskel, forskere fokuserede på at bestemme, hvor mange HAMMER-impaktorer det ville tage at afbøje Bennu.

"Det skub, du skal give den, er meget lille, hvis du afbøjer asteroiden 50 år ude, " sagde Howley. "Men så langt ude, du vil sandsynligvis tro, at procentdelen af ​​at blive ramt ville være 1 procent. Sandsynligheden for en Bennu-påvirkning kan være 1 ud af 2, 700 i dag, men det vil næsten helt sikkert ændre sig – på godt og ondt – efterhånden som vi indsamler flere data om dens kredsløb. Delay er den største fjende af enhver asteroideafbøjningsmission. Det er derfor, det haster med at få levedygtige afbøjningsplatforme på hylden i dag."

Hvis beslutningen skulle tages om at påbegynde en mission for at aflede Bennu, forskere vurderer, at det vil tage minimum 7,4 år, før en impuls kunne afgives til det jordbundne objekt. Dette inkluderer den tid, det ville tage at bygge rumfartøjet, planlægge missionen og rejse til objektet. Forudsat at slaglegemet med succes afsætter sin energi i asteroiden, sænker det lidt, det ville tage mange år for den lille ændring i hastighed at akkumulere til en tilstrækkelig ændring i bane.

Forskerne evaluerede en række afbøjningsscenarier i denne undersøgelse, lige fra lancering 10 år før virkning til 25 år før. I de 10-årige scenarier, det blev fastslået, at det kunne tage mellem 34 og 53 opsendelser af Delta IV Heavy raket, hver bærer et enkelt HAMMER-slaglegeme, at få en asteroide af Bennu-klassen til at savne Jorden. Hvis der var 25 års leveringstid, dette antal kan reduceres til 7 til 11 lanceringer. Det nøjagtige antal vil afhænge af den ønskede Jord-miss-afstand og anslagsforholdene ved asteroiden.

"Når der kræves mange opsendelser for en vellykket afbøjning, missionens succes bliver sværere, på grund af fejlfrekvensen forbundet med hver enkelt lancering, " sagde Megan Bruck Syal, LLNL fysiker og medforfatter på papiret. "Hvis vi kun havde ti år fra lanceringen, vi ville være nødt til at ramme Bennu med hundredvis af tons bare for knap at aflede den fra en jordpåvirkende sti, kræver snesevis af vellykkede opsendelser og nedslag mod asteroiden."

Hvor stor en asteroide kan en enkelt stødlegeme afbøje? Forskere fastslog, at en enkelt HAMMER-impaktor kunne afbøje et objekt med en diameter på 90 meter med omkring 1,4 jordradier med 10 års ledetid - fra tidspunktet for opsendelsen til det forventede jordpåvirkning. Hvis de havde brug for mindre afbøjning, omkring en fjerdedel af jordens radier, et enkelt slaglegeme kunne være effektivt på et objekt så stort som 152 meter i diameter i samme scenarie.

Avisen konkluderede i sidste ende, at brugen af ​​et enkelt HAMMER-rumfartøj som en slagram ville vise sig utilstrækkeligt til at afbøje et objekt som Bennu. Mens nyere simuleringer af nukleare afbøjningsscenarier ikke er inkluderet i dette papir - de vil blive inkluderet i et ledsagende papir, der skal indsendes til offentliggørelse i den nærmeste fremtid - tyder resultaterne på, at den nukleare mulighed kan være påkrævet med større objekter som Bennu. Den nukleare tilgang har potentialet til at afsætte meget mere energi i et objekt som Bennu, forårsager øget ændring i hastighed og bane.

I modsætning til populære skildringer af en nuklear afbøjningsmission - som filmen Armageddon - ville den nukleare afbøjningstilgang bestå i at detonere et atomsprængstof et stykke fra asteroiden. Dette ville oversvømme den ene side af asteroiden med røntgenstråler, fordampning af overfladen, hvilket ville skabe fremdrift, da fordampet materiale udstødes fra objektet. I modsætning til en kinetisk impactor, mængden af ​​energi aflejret i en asteroide med en nuklear enhed kunne indstilles ved at justere, hvor langt den er fra asteroiden, når den detonerede.

Fordi Bennu regelmæssigt passerer tæt nok på Jorden til radarobservationer, forskere er i stand til at estimere dens kredsløb med tilstrækkelig nøjagtighed til at give et par årtiers advarsel, hvis det er bundet til at påvirke Jorden. Denne nær-Jorden Bennu fly-by sker hvert sjette år. Men for andre objekter, der ikke regelmæssigt passerer tæt nok på Jorden til radarobservationer, der er meget mere usikkerhed. Hvis det er begrænset til teleskopiske observationer, Det er muligt, at forskere ikke er 100 procent sikre på en påvirkning, før mindre end et år før kollision. I et scenarie, hvor der er for lidt tid til at udføre en effektiv afbøjningsmission, den sidste mulighed kan være robust afbrydelse via nukleart eksplosiv, selvom mulighedsvinduet ville være meget snævert.

"Vellykket afbrydelse kræver, at man sikrer, at asteroidestykkerne er tilstrækkeligt små og godt spredte, så de udgør en meget reduceret trussel mod Jorden, "Syal sagde. "Forstyrrelser udført så sent som ti dage før påvirkning kan stadig være meget effektiv til at reducere den samlede skade, som Jorden føler. Tidligere arbejde fra vores forskergruppe har vist, at det påvirkende affald reduceres til mindre end 1% af dets oprindelige masse ved at forstyrre asteroiden, selv i disse sene tider."

Bennu er en af ​​mere end 10, 000 objekter i nærheden af ​​Jorden fundet af NASA indtil videre, og forskere vurderer, at dette kun er en brøkdel af de objekter, der kommer med omkring 28 millioner miles af Jorden. Den gode nyhed er, at de fleste af disse objekter er meget mindre end Bennu. NASA's Center for Near Earth Object Studies viser lidt over 2, 500 jordnære objekter opdaget, der potentielt er lige så store som Bennu.

Denne forskning er den første af tre casestudier, der bliver offentliggjort, hver undersøger forskellige afbødningsscenarier. Følgende casestudier undersøger afbøjning af Didymos B, målet for NASAs DART-mission, og en nedskaleret komet Churyumov-Gerasimenko, som blev besøgt af Den Europæiske Rumorganisations Rosetta-mission i 2014 til 2016.