DART — самоубийственная миссия к двойному астероиду

Сможем ли мы изменить орбиту небесного тела, движущегося к Земле и угрожающего нашей безопасности и жизням? Миссия DART – первый реальный шаг к пониманию этого. NASA и Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса хотят провести в космосе эксперимент, в рамках которого изучат возможности отклонения орбиты астероидов.

Сборка космического аппарата, которому предстоит попытаться хоть немного отклонить орбиту астероида, была уже давно завершена, старт сначала был назначен на 22 июля 2021 года и впоследствии перенесен. В итоге запуск аппарата DART был произведен с помощью ракеты-носителя Falcon 9 с космодрома Ванденберг в ночь на 24 ноября 2021 года. Но лететь ему к цели ещё долго, целый год.

Противоастероидная оборона

Астрономам известно множество астероидов, падение которых на Землю может привести к массовому вымиранию и краху цивилизации. Предполагается, что орбиты этих астероидов-убийц реально изменить — если, конечно, мы обнаружим их вовремя. Как это сделать? Пожалуй, наиболее очевидный ответ – взорвать астероид или врезаться в него (чтобы сменить его траекторию). Однако, чтобы быть уверенными, что это даст нужный результат, ученым нужно лучше понимать, как отреагирует астероид на кинетическое воздействие.

Основная задача космического аппарата, созданного в рамках проекта DART (Double Asteroid Redirection Test), название которого можно перевести как «Тест по перенаправлению двойного астероида», – разбиться об астероид, чтобы доказать, что изменение орбиты астероидов-убийц возможно.

DART – специализированный космический аппарат, ударный зонд, предназначенный для того, чтобы настигнуть астероид почти в 11 миллионах километров от Земли и столкнуться с ним на скорости 6,6 километра в секунду. Его сборку вела Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL). Примечательно, что ее основали вскоре после начала Второй мировой войны для разработки методов повышения эффективности систем ПВО. И очень символично, что сегодня она занимается защитой Земли от угрозы из космоса – «противоастероидной обороной».

В проекте также участвуют Лаборатория реактивного движения (JPL), Центр космических полетов имени Годдарда (GSFC) и Космический центр имени Джонсона (JSC).

«Имеющий две формы»

DART отправится к 780-метровому астероиду Дидим (65803 Didymos). Это небольшой быстровращающийся астероид из группы Аполлонов – околоземных астероидов, чьи орбиты пересекают земную с внешней стороны. У Дидима вытянутая орбита, из-за чего в процессе движения вокруг Солнца он пересекает орбиту не только нашей планеты, но и Марса.

Для Земли Дидим не представляет угрозы. Кроме того, нет никакой опасности, что эксперимент создаст риск столкновения с планетой. На минимальное расстояние с Землей он подходил в ноябре 2003 года и пролетел от нее в 7,2 миллиона километров. Более тесное сближение состоится лишь в 2123 году и составит 5,9 миллиона километров. А вот в момент подлета к нему зонда в октябре 2022 года Дидим будет находиться от нас на расстоянии 10,9 миллиона километров. Для сравнения, минимальное расстояние от Земли до Марса – 55,76 миллиона километров, а до Венеры – 38 миллионов километров.

Дидим открыли 11 апреля 1996 года в рамках проекта по поиску астероидов «Космический дозор» (Spacewatch) в обсерватории Китт-Пик. Свое имя он получил в честь древнегреческого музыкального теоретика Дидима Музыканта.

Дидим – двойной астероид и имеет небольшой спутник, которому в июне 2020 года Международный астрономический союз дал официальное название – Диморф. Именно он станет «мишенью» для удара. Диаметр спутника всего 150 метров, он вращается вокруг Дидима по орбите радиусом 1,1 километра с периодом всего в 11,9 часа.

С момента открытия астероида астрономы подозревали, что у него может быть спутник, но только в 2003 году удалось подтвердить его существование. Небесное тело неофициально называли Дидим-Б или Дидимун. Однако затем участвующий в проекте DART планетолог Клеоменис Циганис (Kleomenis Tsiganis) предложил дать ему имя Диморф (Dimorphos). В переводе с греческого оно означает «имеющий две формы».

Объяснили это тем, что Диморф станет первым небесным телом в космической истории, форма которого существенно изменилась в результате вмешательства человека. Зонд DART увидит его в первозданном облике, а камеры аппарата Hera Европейского космического агентства (прибудет к двойной системе в 2027 году, через пять лет после столкновения, чтобы оценить последствия удара) запечатлеют спутника Дидима уже в новом облике, после столкновения.

Малоизученная цель

Один из уникальных аспектов миссии DART состоит в том, насколько мало ее архитекторы знают о своей цели. До того, как Дидим стал целью DART, не было особых причин следить за ним, поскольку он не представлял большой угрозы для Земли – по крайней мере, в обозримом будущем. И уж тем более ученые не знали, как выглядит Диморф.

То немногое, что исследователи уже выяснили о Дидиме и Диморфе, связано с наблюдениями, выполненными с помощью наземных оптических и радиотелескопов. На самом деле астрономы смогли сказать, что у Дидима есть спутник, только потому, что его яркость через определенные промежутки времени падает. Это позволило предположить, что вокруг него на орбите находится некий объект.

Многое из того, что мы знаем о системе Дидима, получено в результате наблюдений в 2003 году. У системы есть окно наблюдения примерно каждые два года, и когда стало ясно, что идея DART воплотится в жизнь, ученые начали регулярно наблюдать за ним. Тут надо понимать вот что: когда Дидим окажется достаточно близко, чтобы астрономы могли возобновить наблюдения, свет от астероида всё равно будет примерно в 100 тысяч раз слабее самой слабой звезды, которую реально увидеть невооруженным глазом в темную ночь.

DART берет свое начало от нереализованного проекта Европейского космического агентства «Дон Кихот» (Don Quijote) начала 2000-х. Идея того проекта заключалась в том, чтобы послать два космических корабля – один под названием «Идальго», чтобы столкнуться с астероидом, а другой – «Санчо», чтобы наблюдать за столкновением – и изучить, как удар изменил траекторию движения астероида вокруг Солнца. Однако ЕКА в итоге решило, что миссия выйдет слишком дорогой, и прикрыло проект.

Вскоре возникла идея о том, как удешевить подобную миссию: ее нужно реализовать на двойном астероиде. Таким образом, не было бы необходимости во втором космическом корабле для измерения отклонения. Наблюдения можно проводить с Земли с помощью наземных телескопов. Оставалось лишь выбрать подходящий двойной астероид.

План миссии

Запуск аппарата DART был произведен с помощью ракеты-носителя Falcon 9 с космодрома Ванденберг в ночь на 24 ноября 2021 года. Чуть больше года потребуется аппарату, чтобы настигнуть цель.

При этом большую часть крейсерской фазы миссии DART будет лететь вслепую. Хотя он и оснащен звездным трекером, который, используя положение звезд в Галактике, будет подсказывать ему, где он находится в Солнечной системе, космический корабль фактически не сможет увидеть цель, пока не окажется совсем близко. Даже в этом случае он не способен рассмотреть Диморфа – только основное тело двойной системы Дидима. Но и он будет лишь одним пикселем в кадре обзора. Диморф не появится в поле зрения, пока космический корабль не окажется всего в часе полета от момента крушения.

Кроме запуска ударного зонда DART, в рамках проекта запланировано создание и запуск еще нескольких аппаратов. За ходом столкновения и его последствиями будут следить не только наземные телескопы, но и небольшой аппарат, созданный Итальянским космическим агентством (ASI). LICIACube – кубсат класса 6U (10×20×30 сантиметров), оснащенный камерой – отделится от DART за несколько дней до столкновения с астероидом.

Помимо этого, в 2024 году в рамках «Миссии по оценке удара и отклонения астероидов» (AIDA) в космос отправятся европейский зонд Hera и два кубсата APEX и Juventas. В их задачи будет входить исследование с орбиты, изучение рельефа и внутренней структуры астероидов, в том числе обследование ударного кратера.

Первоначальный план предусматривал, что европейский космический корабль «Миссии по столкновению с астероидом» (AIM) будет работать совместно с DART и наблюдать за немедленными последствиями удара. Но программу отменили в 2016 году, как и проект «Дон Кихот» – по финансовым причинам. Лишь два года спустя ESA вернулось в проект с меньшим по размеру космическим кораблем Hera.

«Ненаучный зонд»

В августе 2018 года NASA окончательно одобрило проект, что позволило начать финальную стадию проектирования и сборки. В мае 2020 года корпус космического аппарата DART и его силовая установка прибыли в Лабораторию прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL), где специалисты произвели финальную сборку зонда и предпусковую подготовку.

Стоит еще раз отметить, что основную миссию DART нельзя считать в полной мере научной. Она скорее демонстрационная – призвана доказать, что можно переместить астероид, ударив по нему, а заодно и опробовать на пути к небесному телу некоторые новые технологии.

DART – простой и недорогой космический корабль массой около 560 килограммов. Его основная конструкция представляет собой короб размером примерно 1,2х1,3х1,3 метра. Это ударный аппарат, на котором нет никакой научной полезной нагрузки, кроме солнечного датчика, звездного трекера и камеры с диафрагмой 20 сантиметров (DRACO) для поддержки автономной навигации при столкновении со спутником астероида.

Как правило, разработчики космических аппаратов хотят снизить риски везде, где это возможно. Из этого обычно следует, что они полагаются на оборудование, уже испытанное в космосе, вместо того чтобы использовать что-то новое. Поскольку эти космические аппараты должны соответствовать и строгим требованиям по весу, инженеры, как правило, не могут просто установить дополнительную полезную нагрузку, чтобы проверить его во время главной миссии. Но в миссии DART это возможно, что делает ее еще интереснее.

Так как основная цель DART – разбиться, а не собирать научные данные, у инженеров было какое-то количество свободного места для размещения новых, ранее не испытанных в космосе компонентов и их проверки. Многое из того, что DART несет на борту, отправилось в глубокий космос впервые. Как отмечают разработчики, DART подразумевает столько технологических новшеств, что, по сути, напоминает «елку, увешанную гирляндами и игрушками».

Когда аппарат отделится от Falcon 9, он развернет свои солнечные батареи площадью 22 квадратных метра: это новые гибкие панели ROSA (Roll Out Solar Arrays). Солнечные элементы встроены в гибкий материал, который туго натянут между парой стрел с обеих сторон корабля. Это снижает их вес в пять раз по сравнению с обычными панелями на жестком каркасе.

Подобные солнечные батареи позволят облегчить миссии к внешним планетам – в прямом и переносном смысле. Они невероятно легкие и благодаря своей конструкции занимают в четыре раза меньше места, а еще на 20% легче, чем традиционные панели. Сам механизм развертывания солнечных панелей испытали на МКС в 2017 году, но теперь его впервые задействуют с настоящими солнечными элементами.

Помимо работы оборудования, солнечная энергия необходима для питания электрической двигательной системы аппарата. На DART протестируют ионный двигатель NASA Evolutionary Xenon Thruster – Commercial (NEXT-C). Это система следующего поколения, основанная на двигательной установке космического корабля Dawn и разработанная в Исследовательском центре Гленна в Кливленде.

Хотя ионные двигатели не создают большой тяги, они чрезвычайно эффективны по сравнению с ракетными двигателями, основанными на сгорании топлива. Ионный привод NEXT-C находится в разработке почти два десятилетия, но еще не был испытан в космосе. Он втрое мощнее, чем другие ионные двигатели, которые NASA использовало в дальних космических полетах, и примерно в десять раз эффективнее, чем обычные химические двигательные установки.

Но реальный потенциал двигателя NEXT-C заключается в его способности изменять силу тяги в широком диапазоне, в то время как большинство ионных двигателей на это не способны. Таким образом, вместо того чтобы нести на борту несколько двигателей для использования на разных этапах миссии, можно обойтись одним. Около Солнца, где много фотонов для преобразования в электричество, космический корабль может запустить свой электрический двигатель на полную мощность и снижать ее, удаляясь от звезды.

Однако NEXT-C планируют использовать только для коротких испытаний. Это фактически резервная копия основной двигательной установки. В ходе полета для корректировки траектории и изменения ориентации DART задействует 12 небольших обычных химических двигателей.

Солнечные панели среди прочего будут обеспечивать питание новой радиоантенны RLSA (Radial Line Slots Array), которая тоже впервые проходит испытания в космосе. Она хоть и круглая, но в то же время плоская, что облегчает ее транспортировку в космос по сравнению с большими параболическими тарелками, которые космические корабли обычно используют, чтобы передать данные на Землю.

Столкновение

Никто точно не знает, что произойдет, когда зонд поразит цель. Единственное, что мы можем сказать с уверенностью: космический корабль будет уничтожен. Подсчитано, что удар 500-килограммового аппарата на скорости шесть километров в секунду вызовет изменение скорости астероида, примерно на 0,4 миллиметра в секунду, что повлечет небольшие изменения в траектории астероидной системы. Однако со временем это спровоцирует большее смещение траектории. В целом ожидается, что DART изменит скорость Диморфа примерно на полмиллиметра в секунду, а это, в свою очередь, изменит его орбитальный период примерно на 10 минут.

Как отмечают ученые, есть шанс, что наземные телескопы даже смогут увидеть столкновение с Земли. В случае успеха это будет выглядеть как короткая вспышка света. Но даже если наземные телескопы не смогут ее разглядеть, они всё равно сыграют важную роль в наблюдении за последствиями столкновения. В конце концов, весь смысл миссии – определить, как космический корабль способен повлиять на траекторию астероида, врезавшись в него. Для этого нужно отмечать только то, как изменяется яркость астероида, когда Диморф кружит вокруг своего хозяина. Как и изображения с LICIACube, данные, собранные с наземных телескопов, помогут исследователям уточнить модели удара астероида, пока европейский зонд Hera не соберет больше сведений.