DARTin törmäyksellä yllättäviä seurauksia

NASA suoritti kaksi vuotta sitten Double Asteroid Redirection Test (DART) -nimellä kulkevan testitörmäyksen^[1], jossa ensimmäistä kertaa tarkoituksellisesti yritettiin muokata asteroidin rataa. Kohde oli Didymos asteroidin kuu Dimorphos. Kohdevalintaan vaikutti sen turvallisuus ja riskien hallinta, sillä oli hyvin epätodennäköistä, että pieni kuu karkaisi suuremman asteroidin kiertoradalta törmäyksen vaikutuksesta. Lisäksi törmäyssuunta valittiin niin, että kuun kiertoaika lyheni, eikä karkaaminen olisi mahdollista.

Dimorphos lähikuvassa juuri ennen DAT-luotaimen törmäystä. Törmäys paljasti kuun olevan kasa kiviä, joka on osittain pääteltävissä myös tästä kuvasta. Kuva NASA.

Törmäys tapahtui 26.9.2022 ja sitä pystyttiin seuraamaan lähes reaaliajassa Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids (LICIAcube) -satelliitin välittämistä kuvista. Lisäksi törmäävä luotain itsekin kuvasi kohdettaan ja viimeinen kuva saatiin vain sekunteja ennen törmäystä.

Kuten aikaisemmin on kerrottu, törmäys onnistui ja se tulokset olivat yllättäviä, sillä kuun kiertoaika lyheni peräti 33 minuuttia ja 15 sekuntia. Tulos oli odottamaton, sillä tutkijat olivat arvioineet kiertoajan lyhenevän enintään muutaman minuutin tai peräti vain joitakin sekunteja. 

Toinen ja todella yllättävä vaikutus oli kuun muodon muuttuminen. Ennen törmäystä se oli hieman litistynyt pallo. Törmäys muutti sen muodon kolmiakseliseksi ellipsoidiksi, siis suunnilleen sellaiseksi kuin mitä venynyt vesimeloni on. Näin voimakkaasta muodon muuttumisesta voidaan päätellä, että kuu on todellisuudessa vain löyhästi keskinäisen gravitaation vaikutuksesta yhteen liittyneitä kiviä.

Tähtitieteilijät ovat jatkaneet törmäyksen ja sen vaikutuksen tutkimuksia. Yksi tuoreimmista tutkimuksista on tohtori Eloy Peña-Asensio’n johtaman työryhmän tekemä simulaatio^[2] törmäyksen irrottamien heitteiden reiteistä. Simulaatiot perustuivat LICIAcube-satelliitin kokoamaan aineistoon heitteiden määrästä, kappaleiden koosta ja liikesuunnasta ja radoista.

Simulaatioissa käytettiin 3 miljoonaa heitekappaletta, joiden kooksi valittiin 10 cm, 0,5 cm ja 30 µm. Lisäksi simulaatioita tehtiin kahdella nopeusvalinnalla, jotka olivat 1 – 1 000 m/s ja 1 – 2 km/s. Tulosten mukaan Marsin läheisyyteen (Marsin Hillsin palloon) suurimmat ja samalla hitaimmat (450 m/s) kappaleet voisivat päätyä 13 vuodessa. Nopeammat (770 m/s) kappaleet tavoittaisivat Marsin lähiympäristön noin seitsemässä vuodessa.

Maan Hill´n pallon^[3] alueelle päätyisi kooltaan noin 10 cm muta myös kaikkein pienimpiä kappaleita. Maapallon ne tavoittaisivat 1,5 km/s nopeudella aikaisintaan seitsemän vuoden kuluttua. Erot hiukkasten koossa ja nopeudessa selittyvät niiden lähtöpaikasta kuun pinnalla suhteessa törmäyspaikkaan. Alkuperäisissä simulaatioissa ei tätä eroa juurikaan näkynyt mutta tarkemmissa simulaatioissa lähtöpaikalla näyttää olleen suuri merkitys.

Dimorphos'ista irronneet kappaleet ovat kooltaan sen verran pieniä, että niistä ei ole vaaraa maapallolle missään muodossa, vaan ilmakehään saapuessaan ne aiheuttavat vain tavanomaisia meteoreja. Tätä onkin jo ehditty spekuloimaan, että heiteparvesta voisi muodostua uusi, ihmisen aikaansaama meteoriparvi^[4] ja sille on jo ehdotettu nimeä dimorphosidit (tai jotain sinnepäin). Simulaation perusteella mahdollisen parven todellista rataa, radianttia ja ajankohtaa ei voi päätellä.

Viitteet

[1] Avaruusmagasiinissa on tästä tapahtumasta uutisoitu mm. seuraavissa artikkeleissa:

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2022/09/dartin-tormays-havaittiin-maanpinnalta.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2022/09/dart-luotain-tormaa-ensiyona.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2022/09/dart-onnistui-tormayksessaan.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2022/09/liciacube-lahetti-kuvia-tormayksesta.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2023/03/eson-teleskoopeilta-on-saatu.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2022/10/dart-luotaimen-tormayksen-vaikutukset.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2022/09/webb-ja-hubble-tallensivat.html

[2] Tutkimus tullaan julkaisemaan Planetary Science Journal tiedejulkaisussa: Delivery of DART Impact Ejecta to Mars and Earth: Opportunity for Meteor Observations. Artikkeli on toistaiseksi luettavissa osoitteessa https://arxiv.org/abs/2408.02836v1

[3] Tähtien, planeettojen ja kuiden Hill’n pallo on suunnilleen kappaleen gravitaation aikaansaama alue, jossa sen gravitaation voimakkuus on suurin. Jos tällä alueella on toinen kappale niin sen radan täytyy sijaita Hill’n alueella kokonaisuudella, jotta rata olisi stabiili. Maapallon Hill’n pallon säde on noin 1,5 miljoona km. Kuun rata sijaitsee tämän pallon sisällä ja tästä syystä se ei karkaa Aurinkoa kiertävälle radalle.

[4] Maan Hill’n pallon sisään joutuneiden pienkappaleiden ei välttämättä tarvitse päätyä maapallon ilmakehään, vaan niiden radat voivat poiketa vain jonkin verran alkuperäisestä, jonka jälkeen ne voivat poistua maapallon vaikutuspiiristä.

ESO:n teleskoopeilta on saatu ensimmäiset tulokset DARTin asteroiditörmäyksen jäljistä

eso2303fi — Tutkimustiedote - suomennos Pasi Nurmi

Kaksi tähtitieteilijäryhmää ovat havainneet ESO:n Very Large Telescope, eli VLT-kaukoputken avulla NASAn Double Asteroid Redirection Test (DART) luotaimen ja asteroidi Dimorphosin törmäyksen vaikutuksia. Ohjattu törmäys oli planetaarisen puolustuksen testi, mutta sen lisäksi se antoi tähtitieteilijöille ainutlaatuisen mahdollisuuden oppia lisää asteroidien koostumuksesta tutkimalla siitä irronnutta materiaa.

Nämä kuvat, jotka on otettu ESO:n Very Large Telescope kaukoputken MUSE-instrumentilla osoittavat, miten törmäyspilvi kehittyi NASAn DART-luotaimen törmättyä asteroidi Dimorphosiin.

Ensimmäinen kuva otettiin 26. syyskuuta 2022 juuri ennen törmäystä, ja viimeinen kuva otettiin lähes kuukautta myöhemmin 25. lokakuuta. Tänä aikana ympärille kehittyi useita rakenteita, kuten ainekasaumia, spiraalimaisia rakenteita ja Auringon säteilyn työntämä pitkä pölyhäntä. Kuvissa oleva valkoinen nuoli osoittaa Auringon suunnan.

Dimorfos kiertää Didymos-nimistä isompaa asteroidia. Valkoinen vaakapalkki vastaa 500 kilometriä, mutta asteroidit ovat vain yhden kilometrin päässä toisistaan, joten ne eivät näy näissä kuvissa erillisinä.

Taustalla näkyvät säteet johtuvat takana olevien tähtien näennäisestä liikkeestä havaintojen aikana teleskoopin seuratessa asteroidiparia.

Kuva ESO/Opitom et al.

DART-luotain törmäsi 26. syyskuuta 2022 asteroidi Dimorphosiin kokeessa, jonka tarkoitus oli testata kykyä muuttaa asteroidin suuntaa hallitusti. Törmäys tapahtui 11 miljoonan kilometrin päässä Maasta, niin lähellä, että sitä voitiin tarkkailla useilla kaukoputkilla yksityiskohtaisesti. Kaikki neljä Chilessä sijaitsevaa ESO:n 8,2-metristä VLT-teleskooppia havaitsi törmäyksen jälkeisiä vaiheita, ja ensimmäiset tulokset näistä VLT-havainnosta on nyt julkaistu kahdessa tieteellisessä julkaisussa.

"Asteroidit ovat jäännöksiä siitä perusmateriasta, mistä kaikki aurinkokuntamme planeetat ja kuut ovat muodostuneet", Brian Murphy sanoi. Hän on tohtoriopiskelija Edinburghin yliopistossa Isossa-Britanniassa, ja ollut mukana toisessa tutkimuksista. DARTin törmäyksen jälkeensä jättämän materiaalipilven tutkiminen voi siten kertoa, miten aurinkokuntamme on muodostunut. "Asteroidien välisiä törmäyksiä tapahtuu luonnollisesti, mutta niitä ei koskaan tiedetä etukäteen", Cyrielle Opitom, tähtitieteilijä myös Edinburghin yliopistossa ja toisen artikkelin pääkirjoittaja, jatkoi. "DART on todella hieno mahdollisuus kontrolloidun törmäyksen tutkimiseksi, melkein kuin laboratoriossa".

Opitom ja hänen tutkimusryhmänsä seurasivat törmäyspilven kehittymistä kuukauden ajan ESO:n VLT:n Multi Unit Spectroscopic Explorer eli MUSE-instrumentilla. He huomasivat, että törmäyspilvi oli sinisempi kuin itse asteroidi ennen törmäystä, mikä viittaa siihen, että pilvi saattaa koostua hyvin pienistä partikkeleista. Törmäystä seuranneina tunteina ja päivinä muodostui muita rakenteita, kuten ainekasaumia, spiraalimaisia rakenteita ja pitkä Auringon säteilyn poispäin työntävä häntä. Spiraalit ja häntä olivat punaisempia kuin alkuperäinen pilvi, joten ne saattavat koostua suuremmista partikkeleista.

Opitomin tiimin pystyi MUSEn avulla havaitsemaan kaasujen spektrin, josta erottui eri alkuaineiden spektriviivat. He etsivät erityisesti happea ja törmäyksen paljastamasta jäästä peräisin olevaa vettä. He eivät kuitenkaan löytäneet mitään. "Asteroidien ei odoteta sisältävän merkittäviä määriä jäätä, joten vesijäämien havaitseminen olisi ollut todellinen yllätys", Opitom kertoi. He etsivät myös jälkiä DART-luotaimen polttoaineesta, mutta eivät löytäneet mitään. "Tiesimme, että se oli kaukaa haettua", hän sanoi  "koska propulsiojärjestelmän tankkeihin jäävän kaasun määrä ei olisi kovinkaan suuri. Lisäksi osa siitä olisi mennyt havaintojen alkaessa liian kauas, jotta MUSE olisi pystynyt sitä havaitsemaan".

Toista tutkimusryhmää johti Armaghin observatorion ja planetaarion tähtitieteilijä Stefano Bagnulo Britanniasta, ja he tutkivat, miten DARTin törmäys muutti asteroidin pintaa.

"Havaitessamme aurinkokuntamme kohteita katselemme niiden pinnan tai ilmakehän sirottamaa auringonvaloa, joka muuttuu osittain polarisoituneeksi valoksi", Bagnulo kertoi. Tämä tarkoittaa, että valoaallot heilahtelevat erityisesti tiettyyn suuntaan eivätkä sattumanvaraisesti. "Asteroidin asento suhteessa meihin ja Aurinkoon paljastaa tietoa sen pinnan rakenteesta ja koostumuksesta".

Tarkkaillessaan asteroidia Bagnulo kollegoineen käytti VLT:n FOcal Reducer/low dispersion Spectrograph 2, eli FORS2-instrumenttia ja he havaitsivat, että polarisaation taso laski yhtäkkiä iskun jälkeen. Samanaikaisesti systeemin kokonaiskirkkaus kasvoi. Yksi mahdollinen selitys tälle on se, että törmäys paljasti asteroidin sisältä koskemattomampaa materiaalia. "Ehkä törmäyksen vaikutuksesta irronnut materia oli kirkkaampaa ja vähemmän polarisoivaa kuin pinnalla oleva materia, koska se ei ollut koskaan altistunut aurinkotuulen ja Auringon säteilyn vaikutuksille", Bagnulo sanoi.

Toinen mahdollisuus on, että törmäys tuhosi pinnalla olevia partikkeleita, jolloin törmäyspilveen päätyi paljon pienempiä hiukkasia. "Tiedämme, että tietyissä olosuhteissa pienet partikkelit heijastavat valoa tehokkaammin ja ovat tehottomampia polarisoimaan valoa", Zuri Gray kertoi, tohtoriopiskelija myös Armaghin observatoriossa ja planetaariossa.

Bagnulon ja Opitomin johtamien tutkimusryhmien tutkimukset osoittavat VLT:n mahdollisuudet, kun sen eri instrumentteja käytetään yhdessä. Törmäyksen jättämiä jälkiä havaittiin MUSEn ja FORS2:n lisäksi kahdella muulla VLT-instrumentilla, mutta näiden tietojen analysointi on vielä kesken. "Tässä tutkimuksessa hyödynnettiin ainutlaatuista tilaisuutta, kun NASA lähetti törmääjän kohti asteroidia", Opitom kertoi lopuksi, "Havaintoja ei voida toistaa millään tulevalla tutkimuslaitteella. Tämä tekee VLT:n avulla törmäyksen aikana saadut tiedot erittäin arvokkaiksi asteroidien ominaisuuksien ymmärtämisessä".

Lisätietoa

Ensimmäisen tutkimuksen tulokset on esitelty artikkelissa: “Morphology and spectral properties of the DART impact ejecta with VLT/MUSE”, joka julkaistaan Astronomy & Astrophysics (doi:10.1051/0004-6361/202345960) julkaisussa.

Toisen tutkimuksen tulokset liittyvät artikkeliin “Optical spectropolarimetry of binary asteroid Didymos-Dimorphos before and after the DART impact”, joka julkaistaan Astrophysical Journal Letters (doi:10.3847/2041-8213/acb261) lehdessä.