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.

LICIACube lähetti kuvia törmäyksestä

Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids lyhemmin LICIAcube on lähettänyt ensimmäiset kuvansa törmäyksestä. Niissä näkyy, kuinka voimakkaan räjähdyksen DART-luotain sai aikaan Didymos asteroidin pienen Dimorphos kuun pinnalla. Räjähdys aiheutui pelkästään luotaimen kineettisestä energiasta, sillä luotaimessa ei ollut räjähdysainetta.

DART-luotaimen osuma synnytti voimakkaan räjähdyksen ja se muodosti myös selkeän säteiskuvion. Etualan kirkas alue on Didymos asteroidi, jonka kuu Dimorphos on. Kuva (ASI/NASA).

Törmäys aiheutti valtavan pölypilven, jota pystyttiin havaitsemaan maanpinnalta. LICIAcube seurasi DART-luotainta muutaman minuutin viipeellä ja pystyi valokuvaamaan koko tapahtumasarjan. Erityisen mielenkiintoista kuvissa on se, että törmäyksen roiskeet muodostivat säteitä törmäyskraatterin ympärille. Tällaisia säteitä on aikaisemmin nähty Kuussa mm Tycho ja Copernicus kraattereiden ympärillä.

DARTin osumatarkkuus oli erittäin hyvä. Luotain oli suunnattu asteroidin keskipisteeseen ja tutkijat päättelivät kuvista, että se osui vain 17 metriä suunnitellusta kohdasta sivuun. Osumatarkkuutta voidaan pitää erittäin hyvänä, sillä koko asteroidin halkaisija on vain noin 160 metriä. Tikkataulussa (engl. dart board) häränsilmä on suhteellisesti samankokoinen alue keskipisteessä.

 

DART-luotain törmää ensiyönä

 Törmäysajankohta on kello 2.14 Suomen aikaa.

Taiteiljan näkemys DARTin lähetymisestä törmättävään asteroidiin. Kuva JHU Applied Physics Laboratory.

DARTin kohteena on kaksoisasteroidi Didymos, joka tarkoittaa kreikaksi "kaksosta". Didymos on hyvä ehdokas ensimmäiseen planeettapuolustuskokeeseen, vaikka se ei olekaan törmäyskurssilla Maahan eikä siksi aiheuta todellista uhkaa planeetalle. Järjestelmä koostuu kahdesta asteroidista: suuremmasta Didymos-asteroidista (Ø 780 m) ja pienemmästä kuuasteroidista Dimorphos (Ø 160 m). Tällä hetkellä Dimorphoksen kiertoaika Didymosin ympäri on 11 tuntia ja 55 minuuttia. Asteroidien massakeskipisteitten välinen etäisyys on noin 1,18 kilometriä. Astroidiparin kiertoaika on 770 vrk ja radan etäisin piste on noin 2,27 au etäisyydellä Auringosta. Didymos oli maapallon läheisyydessä edellisen kerran vuonna 2003 ja seuraava kertaa joudumme odottelemaan aina vuoteen 2063 asti.

Asteroidipari on pimentävä binääri, mikä tarkoittaa, että Dimorphos kulkee Didymoksen edestä ja takaa kiertäessään suurempaa asteroidia Maasta katsottuna. Näin ollen maanpinnalla olevilla teleskoopeilla voidaan havaita yhdistetyn Didymos-järjestelmän kirkkauden säännöllistä vaihtelua Dimorfoksen kiertoradan määrittämiseksi. Törmäyksen jälkeen tämä sama tekniikka paljastaa Dimoprhosin kiertoradan muutoksen verrattuna mittauksiin ennen törmäystä. DART-iskun ajoitus syyskuussa 2022 valittiin siten, että Maan ja Didymosin välinen etäisyys on lyhin, jotta havainnot olisivat korkealaatuisia. Didymos on noin 11 miljoonan kilometrin ​​etäisyydellä Maasta DART-iskun aikaan.

DARTin törmäys tapahtuu kohtisuoraan asteroidin pintaan ja niiden liikesuunnat ovat vastakkaiset. Pieni cube-sateelliitti ottaa valokuvai tapahtumasta. Kuva JHU Applied Physics Laboratory.

Didymoksen kiertorata ei leikkaa Maan kiertorataa missään pisteessä ja DARTin törmätessä Dimorphosille antama impulssi on niin vähäinen, ettei se juurikaan vaikuta asteroidin kiertorataan. Dimorphoksen massaa ei ole määritetty suoraan, mutta asteroidin tiheydestä ja koosta tehdyillä oletuksilla Dimorphosin massaksi on arvioitu noin 5 × 10⁹ kg. DARTin kineettisen vaikutuksen aiheuttama muutos on suunniteltu muutamaan kiertorataa hieman lähemmäksi Didymosia.

DARTin törmäystä ei tehdä aivan ”sokkona”, sillä se on kuljettanut mukanaan italilaista cube-satelliittia Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids (LICIACube). Satelliitti irrotettiin CARTista pari viikkoa sitten ja se on sen jälkeen tehnyt pienen ratamuutoksen, sillä sen tarkoitus on lentää Dimorphoksen ohi. LICIACubessa on kaksi kameraa, joilla se kuvaa törmäystä ja sen aiheuttamaa pölypilveä. Kuvista tutkijat voivat varmentaa törmäyksen onnistumisen maanpinnalta tehtävien havaintojen lisäksi.

Reaaliaikaisia kuvia saadaan myös törmäävästä DARTista, sillä tutkijat arvoivat viimeisen kuvan tulevan vain muutamaa sekuntia ennen törmäystä. Pari viimeistä minuuttia ennen törmäystä on dramaattisia, sillä kuvissa näkyy kohdeasteroidi kasvavan vauhdilla. Noin 2 minuuttia ennen törmäystä Dimorphos näkyy halkaisijaltaan vain noin 45 pikselin kokoisena. Minuuttia myöhemmin se on jo 90 pikselin kokoinen ja koko kasvaa tuplaksi aina jäljellä olevan ajan puolittuessa. Viimeisimmän kuvan tarkkuudeksi arvioidaan noin 9 cm/px asteroidin täyttäessä koko kuvakentän.

Tilasto tunnettujen Maata uhkaavien asteroidien määrästä ja törmäysten taajuudesta.

DARTin törmäyttäminen asteroidiin on tekniikkakoe. Asteroidijärjestelmä on hyvä koekenttä sen selvittämiseksi, onko luotaimen törmäytys tehokas tapa muuttaa asteroidin kurssia, jos ja kun Maata uhkaava asteroidi löydetään tulevaisuudessa. Toistaiseksi yksikään tunnettu yli 140 m asteroidi ei ole törmäyskurssilla Maan kanssa. Tähän arvioon liittyy kuitenkin suuri epävarmuus, sillä tällä hetkellä arviolta vain noin 40 prosenttia näistä asteroideista on havaittu.