W pobliżu naszej planety krąży blisko 28 tys. obiektów. Przynajmniej tyle dotychczas skatalogowano. Część z nich może w przyszłości zbliżyć się do orbity Ziemi i nie można całkowicie wykluczyć zderzenia. By uniknąć apokalipsy, NASA aktywowała system, który zwiększa możliwości naukowców w zakresie oceny ryzyka uderzenia kosmicznej skały w Ziemię.
Do tej pory skatalogowano prawie 28 tys. asteroid znajdujących się w bliskiej odległości od Ziemi. Teleskopy badawcze, które nieustannie skanują nocne niebo, dodają nowe obiekty w tempie około 3 tys. rocznie. W ciągu najbliższych lat eksperci spodziewają się wzrostu liczby odkrywanych asteroid. Tymczasem astronomowie NASA opracowali algorytm nowej generacji o nazwie Sentry-II, aby lepiej ocenić prawdopodobieństwo uderzenia którejś z pobliskich kosmicznych skał w Ziemię. Jego opis przedstawiono w czasopiśmie „Astronomical Journal” (DOI: 10.3847/1538-3881/ac193f).
W kulturze popularnej asteroidy często przedstawiane są jako chaotyczne obiekty, które bezładnie przemieszczają się wokół naszego Układu Słonecznego, nieprzewidywalnie zmieniając kurs i zagrażając naszej planecie z dnia na dzień. W rzeczywistości tak nie jest. Asteroidy są niezwykle przewidywalnymi ciałami niebieskimi, które przestrzegają praw fizyki i podążają utartymi ścieżkami orbitalnymi wokół Słońca.
Czasami jednak, ścieżki te mogą zbliżyć się do przyszłej orbity Ziemi i nie można całkowicie wykluczyć przyszłego zderzenia. Dlatego astronomowie używają zaawansowanego oprogramowania do automatycznego obliczania ryzyka takiego wydarzenia.
CNEOS (Center for Near Earth Object Studies - Centrum Badań Obiektów Bliskich Ziemi) oblicza orbitę każdej znanej asteroidy, aby ocenić ryzyko zagrożenia uderzeniem. Do tej pory wykorzystywano w tym celu oprogramowanie o nazwie Sentry opracowane jeszcze w 2002 roku.
- Pierwsza wersja Sentry była bardzo sprawnym systemem, który działał przez prawie 20 lat – mówi Javier Roa Vicens, który pracował nad rozwojem Sentry-II, a ostatnio przeniósł się do SpaceX. – Wszystko opierało się na matematyce. W mniej niż godzinę można było uzyskać prawdopodobieństwo uderzenia dla nowo odkrytej asteroidy w ciągu najbliższych 100 lat, a to niesamowity wyczyn – dodaje.
Dzięki Sentry-II, NASA zyskuje narzędzie, które może szybko obliczyć prawdopodobieństwo uderzenia dla wszystkich znanych obiektów bliskich Ziemi (Near-Earth objects - NEO), w tym także dla specjalnych przypadków, nieuchwytnych dotąd dla pierwotnego systemu.
Dzięki systematycznemu obliczaniu prawdopodobieństwa zderzenia w ten nowy sposób, naukowcy sprawili, że system monitorowania zderzeń stał się bardziej solidny, umożliwiając NASA pewną ocenę wszystkich potencjalnych zagrożeń.
Gdy asteroida podróżuje przez Układ Słoneczny, to grawitacja Słońca dyktuje ścieżkę jej orbity. Na trajektorię lotu wpływają także oddziaływania grawitacyjne planet. Sentry z dużą dokładnością modeluje, jak te siły grawitacyjne kształtują orbitę asteroidy, pomagając przewidzieć, gdzie znajdzie się ona w przyszłości. Program nie uwzględniał jednak sił niegrawitacyjnych, z których najważniejszą są siły termiczne spowodowane ciepłem Słońca.
Gdy asteroida wiruje, światło słoneczne ogrzewa jej jedną stronę. Nagrzana powierzchnia obróci się następnie do zacienionej strony asteroidy i ochłodzi się. Podczas chłodzenia uwalniana jest energia podczerwona, która generuje niewielki, ale stały ciąg. Zjawisko to znane jest jako efekt Jarkowskiego, który ma niewielki wpływ na ruch asteroidy w krótkich okresach czasu, ale może znacząco zmienić jej drogę w ciągu dziesięcioleci i stuleci. Efekt ten odkrył polski inżynier Jan Jarkowski w 1900 roku.
- Fakt, że Sentry nie mógł automatycznie obsługiwać efektu Jarkowskiego był ograniczeniem – mówi Davide Farnocchia, inżynier nawigacji w NASA Jet Propulsion Laboratory, który również pomagał w rozwoju Sentry-II. - Za każdym razem, gdy natrafialiśmy na szczególny przypadek - jak asteroidy Apophis, Bennu, czy 1950 DA - musieliśmy wykonywać skomplikowane i czasochłonne ręczne analizy. Z Sentry-II nie musimy już tego robić – dodaje.
Innym problemem oryginalnego algorytmu Sentry było to, że czasami nie był on w stanie dokładnie przewidzieć prawdopodobieństwa uderzenia asteroid, które przechodzą bardzo blisko Ziemi. Ruch takich NEO jest znacząco odchylany przez grawitację naszej planety. W takich przypadkach stare obliczenia Sentry'ego mogą zawieść, wymagając ręcznej interwencji. Sentry-II nie ma tego ograniczenia.
Kiedy teleskopy namierzą nowy NEO, astronomowie mierzą obserwowane pozycje asteroidy na niebie i zgłaszają je do Minor Planet Center. Następnie CNEOS wykorzystuje te dane do określenia najbardziej prawdopodobnej orbity planetoidy wokół Słońca. Ale ponieważ istnieją niewielkie niepewności w obserwowanej pozycji planetoidy, jej „najbardziej prawdopodobna orbita” może nie odzwierciedlać jej prawdziwego położenia.
Aby ocenić czy zderzenie jest możliwe i zawęzić gdzie może znajdować się prawdziwa orbita, oryginalny Sentry poczyniłby pewne założenia co do tego, jak może kształtować się ten obszar niepewności. Następnie wybrałby zestaw równomiernie rozmieszczonych punktów wzdłuż linii obejmującej obszar. Każdy punkt reprezentowałby nieco inną możliwą lokalizację asteroidy.
Następnie Sentry obserwował te „wirtualne asteroidy” i sprawdzał, czy któraś z nich zbliży się do Ziemi w przyszłości. Jeśli tak, potrzebne były dalsze obliczenia, aby skuteczniej przewidzieć prawdopodobieństwo zderzenia.
Sentry-II działa inaczej. Nowy algorytm modeluje tysiące losowych punktów nie ograniczonych żadnymi założeniami dotyczącymi ewolucji obszaru niepewności. Zamiast tego wybiera losowe punkty w całym tym obszarze. Algorytm Sentry-II sprawdza następnie jakie są wszystkie możliwe orbity asteroid, które mogłyby potencjalnie zagrozić Ziemi.
W ten sposób obliczenia wyznaczania orbit nie są kształtowane przez z góry ustalone założenia dotyczące tego, które części obszaru z niepewnymi danymi mogą prowadzić do możliwego uderzenia. Dzięki temu Sentry-II może wyzerować więcej scenariuszy uderzenia o bardzo niskim prawdopodobieństwie, które pierwotny algorytm mógł przeoczyć.
Eksperci porównują ten proces do szukania igieł w stogu siana. Igły to możliwe scenariusze zderzenia, a stóg siana to obszar niepewności. Im więcej niepewności dotyczącej pozycji asteroidy, tym większy stóg siana. Sentry losowo przeszukiwał stóg tysiące razy szukając igieł znajdujących się w pobliżu pojedynczej linii ciągnącej się przez siano. Założeniem było, że podążanie za tą linią jest najlepszym sposobem na szukanie igieł. Ale Sentry-II nie zakłada żadnej linii i zamiast tego rzuca tysiące małych magnesów losowo po całym tym stogu siana, które szybko zostają przyciągnięte.
Źródło: NASA, fot. NASA/JPL-Caltech
