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Questa navicella spaziale viene preparata per una missione unidirezionale per deviare un asteroide
NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
In una stanza bianca nell'edificio 23 del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) a Laurel, nel Maryland, un veicolo spaziale chiamato DART è stato aperto come un uovo cubico fratturato. Uno strumento chiamato star tracker - che, una volta che DART si trova nello spazio profondo, accerta da che parte si trova - è stato montato sul nucleo, insieme a batterie e una varietà di altri sensori. Il sistema avionico, il computer centrale di DART, è stato fissato in modo prominente a pannelli quadrati lavorati con precisione che formeranno i lati, una volta che il veicolo spaziale sarà ripiegato. I cavi scorrevano dal computer al radiosistema che DART utilizzerà per comunicare con la Terra. Sono stati scoperti giroscopi e antenne. In una stanza accanto, un sistema sperimentale di propulsori chiamato NEXT-C stava aspettando il suo turno. Grandi fasci di spessi viticci avvolti in un isolamento d'argento pendevano dal veicolo spaziale e correvano lungo il pavimento fino alla sala di controllo, dove si collegavano a un'imponente batteria di computer da banco di prova gestiti da quattro ingegneri.
Un orologio su uno dei computer ha letto, Days to DART Launch: 350:08:33.
Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2020
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DART, il Double Asteroid Redirection Test, è progettato per schiantarsi contro un asteroide chiamato Dimorphos. L'impatto cambierà la velocità di Dimorphos di circa un millimetro al secondo, o un cinquecentesimo di miglio all'ora. Sebbene Dimorphos non stia per scontrarsi con la Terra, DART ha lo scopo di dimostrare la capacità di deviare un asteroide come quello è diretto verso di noi, se mai ne venisse scoperto uno.
Da quando una sonda sovietica chiamata Luna 1 è diventata la prima navicella spaziale a sfuggire all'orbita terrestre il 2 gennaio 1959, l'umanità ha inviato circa 250 sonde nel sistema solare. DART è unico tra loro. È il primo che si propone di non studiare il sistema solare, ma di cambiarlo.
Nel 1980, gli astronomi avevano determinato le orbite di circa 10.000 asteroidi, inclusi 51 asteroidi vicini alla Terra (insieme a 44 comete vicine alla Terra). Oggi i numeri sono aumentati: il Minor Planet Center tiene traccia di circa 800.000 asteroidi in totale, di cui quasi 24.000 hanno orbite che li portano vicino alla Terra. La stragrande maggioranza di questi è stata scoperta dal 1998, quando il Congresso ha concesso alla NASA 10 anni per identificare ogni oggetto vicino alla Terra più grande di un chilometro (0,6 miglia) di diametro. Grazie alle analisi statistiche, gli astronomi ritengono di aver trovato circa il 95% dei grandi asteroidi vicini alla Terra, del tipo che distruggerebbe la civiltà se colpissero il nostro pianeta.
Il conto alla rovescia per il lancio all'APL.
NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMANLa Terra percorre la distanza del suo diametro ogni sette minuti. Se l'orario di arrivo di un oggetto in arrivo può essere modificato di più di circa 10 minuti, ci mancheremo. (I dettagli, ovviamente, dipendono dalla particolare traiettoria; i tre minuti in più servono a spiegare l'effetto dell'attrazione gravitazionale terrestre.)
Didymos è largo circa mezzo miglio. Dimorphos ha un diametro di circa 500 piedi, le dimensioni di un piccolo stadio sportivo. Nessuno sa ancora che aspetto abbia, perché è troppo piccolo e lontano per osservazioni dettagliate dai telescopi sulla Terra o nelle vicinanze. I due asteroidi distano circa mezzo miglio; Dimorphos orbita attorno all'asteroide più grande a una velocità inferiore alla camminata di una persona.
Nel 2005, il Congresso ha dato alla NASA nuovi ordini per catalogare tutti gli oggetti vicini alla Terra di oltre 140 metri (460 piedi) di diametro, oggetti il cui impatto sarebbe stato catastrofico piuttosto che apocalittico. Quel lavoro rimane in corso e nel 2016 la NASA ha istituito l'Ufficio di coordinamento della difesa planetaria per coordinare la miriade di agenzie americane e internazionali che sarebbero mobilitate se un oggetto distruttivo fosse scoperto dirigersi verso di noi. DART è la prima missione del gruppo.
Non dobbiamo essere vittime del cosmo, dice Lindley Johnson, che dirige l'ufficio. Se ci troviamo di fronte a quella situazione, non vogliamo che il primo utilizzo nel mondo reale della deflessione degli asteroidi sia un tipo di cosa da non perdere. Gli obiettivi di DART sono duplici: dimostrare che un veicolo spaziale può colpire con successo un asteroide e misurare gli effetti della collisione.
Le proposte precedenti prevedevano l'utilizzo di due veicoli: uno per effettuare la collisione e un altro, inviato in anticipo, per osservare la collisione e misurarne gli effetti. Sembrava l'unica opzione perché con un asteroide che viaggiava a 30 chilometri al secondo, il cambiamento di velocità di un millimetro al secondo causato da una collisione sarebbe stato molto difficile da misurare usando telescopi basati sulla Terra o vicino a essa. Ma questo era costoso: fino a $ 1 miliardo.
Poi, all'inizio del 2011, Andy Cheng, il capo scienziato che studiava la difesa planetaria presso l'Applied Physics Laboratory, ha avuto un'illuminazione. Invece di inviare due veicoli spaziali, il suo piano avrebbe inviato un singolo veicolo a schiantarsi contro un piccolo asteroide in orbita attorno a uno più grande. Gli astronomi potrebbero quindi utilizzare un trucco intelligente per misurare la forza del colpo.
Ogni 12 ore, gira e gira, sempre lo stesso. Quello che stiamo facendo con DART è battere il tempo.'
Questa missione più semplice costerebbe solo circa 250 milioni di dollari, un affare relativo. Il cambiamento è stato fondamentale per convincere la NASA ad approvare DART. Alla fine l'Agenzia Spaziale Italiana ha contribuito al trasporto di DART con un veicolo spaziale delle dimensioni di una scatola da scarpe chiamato LICIACube, che aiuterà con le osservazioni senza aumentare notevolmente i costi.
L'obiettivo di Cheng, Dimorphos, è stato scoperto nel 2003 in orbita attorno a un asteroide più grande. Dopo la scoperta, il corpo più grande fu chiamato Didymos, la parola greca per gemello. Alla sua luna è stato dato il nome nel 2020. Vista dalla Terra, la sua orbita a volte passa davanti e dietro Didymos, bloccando in parte l'asteroide più grande ad ogni rivoluzione. Usando telescopi a terra, è possibile effettuare una misurazione molto precisa dell'orbita osservando i cali di luce, afferma Cheng. Una tecnica simile viene utilizzata per identificare esopianeti in orbita attorno a stelle lontane.
L'orbita di Dimorphos attorno a Didymos è proprio come un orologio che ticchetta, afferma Tom Statler, lo scienziato del programma della missione DART presso la sede della NASA. Ogni 12 ore, gira e gira, sempre lo stesso. Quello che stiamo facendo con DART è battere il tempo. Tutto ciò che gli astronomi devono fare è misurare la velocità con cui l'orologio ticchetta prima dell'impatto e poi misurarlo di nuovo in seguito. Si aspettano che il periodo orbitale cambi di circa 10 minuti, o poco più dell'1%.
Questa è un'informazione sufficiente per consentire loro di stimare la cifra a cui tengono di più: qualcosa chiamato efficienza di trasferimento della quantità di moto, tipicamente indicato dalla lettera greca β. Come suggerisce il nome, è una misura di quanta quantità di moto del veicolo spaziale viene trasferita all'asteroide (anziché, diciamo, far cadere frammenti di roccia da esso). Maggiore è β, più efficace sarà stato DART nel cambiare il corso di Dimorphos.
Accertare β è importante perché per proteggerci dagli impatti di asteroidi, dobbiamo essere in grado di prevedere quanto uno si muoverà quando un veicolo spaziale lo colpisce. Come hanno scritto Cheng e coautori in un articolo del 2020, la determinazione di β dalle misurazioni e dalla modellazione DART è un obiettivo della scienza della difesa planetaria di fondamentale importanza.
Alcune ipotesi entreranno nel calcolo di β da parte del team DART. In parole povere, stimeranno le dimensioni di Dimorphos analizzando le immagini che DART e LICIACube scatteranno. Quel numero, combinato con un'ipotesi plausibile sulla densità dell'asteroide, fornisce loro una stima della sua massa. Quella numero, combinato con le osservazioni della variazione del periodo orbitale, consente loro di stimare β. (C'è, sì, molta stima coinvolta.)
Il Double Asteroid Redirection Test (DART) della NASA sarà la prima missione spaziale in assoluto progettata per testare la tecnologia di difesa planetaria. DART altererà la velocità di Dimorphos abbastanza da poter essere misurata dai telescopi terrestri. (Illustrazione non in scala.)
NASA/JOHNS HOPKINS APLNiente di tutto ciò, tuttavia, dirà agli astronomi perché β ha assunto quel particolare valore per la collisione DART-Dimorphos. Gli asteroidi sono diversi per dimensioni e composizione. Non si sa molto sulla loro struttura interna. Nessuno sa con certezza se DART creerà un cratere grande o uno piccolo. Prevediamo che questi fattori dipendano dalla topografia del punto in cui DART colpisce, afferma Andy Rivkin, che guida il team scientifico di DART con Cheng.
In altre parole: la navicella spaziale colpirà una collina o un terreno pianeggiante? Ci saranno i massi? Hard o soft rock? Ghiaia? Sporco? E di conseguenza, quanta ejecta creerà DART? In quale direzione andrà quell'espulso e quanto velocemente? Ejecta che vola in una direzione dà all'asteroide un calcio nella direzione opposta, quindi la risposta influisce sul valore finale di β.
Il team prevede di confrontare i dati raccolti da DART con simulazioni al computer di impatti simili. Ciò consentirà loro di migliorare i loro modelli, consentendo loro di calcolare meglio che tipo di proiettile servirebbe per deviare un futuro asteroide diretto verso la Terra.
Costruire un veicolo spaziale è testare un veicolo spaziale. Arrivare nello spazio è costoso; prendere di mira un asteroide distante ancora di più. Le cose devono funzionare la prima volta.
In un giorno di agosto in cui ho visitato l'APL, Rosanna Smith, responsabile del test di propulsione di DART, si è seduta nella sala di controllo a supervisionare i test dei propulsori dell'idrazina del veicolo spaziale. Ogni componente era già stato testato, molte volte, individualmente. Ora venivano testati di nuovo, come parti di un tutto. DART è stato collegato a computer del banco di prova che gli hanno fornito i dati, facendo in modo che quei componenti si comportassero come se si trovassero nello spazio. I propulsori non stavano sparando, ma l'avionica del veicolo spaziale ha risposto come se l'avesse fatto. Se fosse stata rilevata un'anomalia, spiegò Smith, gli ingegneri si sarebbero fermati a valutare la sonda. Potrebbero adattarsi ed entrare nella camera bianca, collegare un oscilloscopio al veicolo spaziale e vedere cosa stava succedendo.
L'obiettivo era ottenere dati sulle prestazioni di base di DART. Nelle settimane a venire, gli ingegneri stavano pianificando di sottoporre il veicolo spaziale a test di vibrazione: scuotendolo violentemente, avvicinandosi fisicamente alle sollecitazioni del lancio e delle manovre di volo, per vedere cosa, se non altro, si rompeva. Hanno pianificato di mettere il veicolo spaziale in una camera termica a vuoto per simulare lo spazio, facendolo scorrere attraverso cicli caldi e freddi. Dopo ogni attività, eseguivano di nuovo i test della giornata, confrontando i risultati con la linea di base per vedere cosa è cambiato e cosa non è cambiato.
Normalmente potrebbero esserci una dozzina di persone nella stanza che eseguono i test. Ma, come molto altro, le procedure di assemblaggio di DART sono cambiate in risposta alla pandemia. APL ha installato telecamere in tutta la struttura. Coloro che lavorano da casa possono collegarsi per vedere cosa sta succedendo. Le loro voci emersero dagli altoparlanti sopraelevati e gli ingegneri nella stanza risposero con disinvoltura, come se parlassero con dei fantasmi.
Il viaggio dalla Terra a Didymos dura 14 mesi. DART verrà lanciato su un razzo Falcon 9 dalla base dell'aeronautica di Vandenberg sulla costa della California, 130 miglia a nord-ovest di Los Angeles. La navicella spaziale decollerà verso sud e girerà intorno al sole prima di incontrare gli asteroidi poche settimane dopo il loro avvicinamento più vicino alla Terra, quando Didymos e Dimorphos saranno a circa 6,8 milioni di miglia di distanza, circa 30 volte più lontano della luna. La traiettoria è stata progettata per ridurre al minimo l'energia necessaria per lanciare DART e per programmare l'impatto per un avvicinamento ravvicinato in modo che i telescopi terrestri possano osservare la collisione nel miglior modo possibile.
Ma prima, DART deve trovare Didymos. Trenta giorni prima dell'impatto, il veicolo spaziale inizierà a raccogliere immagini di navigazione ottica mentre si avvicina agli asteroidi gemelli a quasi 15.000 miglia orarie. Gli astronomi non conoscono le orbite degli asteroidi con la precisione necessaria per un impatto preprogrammato, e ancora non lo sapranno quando subentrerà un sistema di bordo chiamato SMART Nav. Il piano della missione prevede che DART colpisca non più di 50 piedi dal punto target pianificato, ma a quel punto l'incertezza sull'orbita di Didymos sarà ancora di migliaia di piedi e per il Dimorphos molto più piccolo, sarà ancora più grande.
Quattro ore dopo, accendiamo SMART Nav, che identifica Didymos e inizia a cercare Dimorphos, che stiamo cercando di colpire, afferma Elena Adams, ingegnere capo della missione DART. C'è radiazione nello spazio e rumore nel rivelatore, quindi gli algoritmi confrontano i pixel nel suo campo visivo. Un'ora prima dell'impatto, il software dovrebbe individuare Dimorphos. Dopo che ha capito il pixel che vuole, che si trova nella giusta posizione e che ha senso, è allora che passa dal prendere di mira l'asteroide principale al prendere di mira la sua luna, aggiunge.
Anche se gli astronomi conoscessero la posizione di Dimorphos con assoluta precisione, DART non poteva essere preprogrammato per eseguire la manovra richiesta con sufficiente precisione per colpirlo. Nessun propulsore è mai perfettamente allineato e nessuna prestazione del propulsore è mai perfettamente modellata. Per ogni manovra, un veicolo spaziale necessita di successive manovre di correzione per tenere conto delle deviazioni. SMART Nav lo fa autonomamente. Inoltre, DART utilizzerà i suoi propulsori per rimanere puntati nella giusta direzione; questo cambierà la sua traiettoria di diversi piedi. Tutte queste deviazioni saranno continuamente valutate e corrette da SMART Nav nelle ultime ore prima dell'impatto. Per le tipiche manovre di veicoli spaziali eseguite da esseri umani, in confronto, di solito ci vogliono ore o giorni per calcolarle ed eseguirle, quindi per valutare le prestazioni per progettare una correzione. Durante le regolazioni della traiettoria, SMART Nav mantiene i pannelli solari del veicolo spaziale puntati verso il sole e l'antenna ad alto guadagno puntata verso la Terra, inviando immagini di Didymos e Dimorphos circa ogni due secondi. Quando il veicolo spaziale si avvicina all'asteroide, i propulsori dell'idrazina si attivano frequentemente per mantenere il bersaglio all'interno del campo visivo ristretto della sua telecamera.
SMART Nav interromperà l'esecuzione delle manovre circa due minuti prima dell'impatto e il veicolo spaziale scivolerà nell'asteroide. Raggiungiamo la risoluzione richiesta del sito dell'impatto circa 20 secondi prima dell'impatto e inviamo l'ultima immagine sulla Terra entro gli ultimi sette secondi dall'impatto, afferma Adams. E poi... boom!
Gli impattatori cinetici come DART non sono l'unico modo per deviare un asteroide in arrivo. La NASA ha pensato di far esplodere una bomba nucleare vicino a un asteroide per deviarlo. Questo rilascia molta più energia per allontanare l'asteroide ma rischia di frammentarlo in molti proiettili più piccoli con traiettorie imprevedibili; alcuni potrebbero ancora colpire la Terra. Altre opzioni includono rimorchiatori, che si accoppieranno a un asteroide e lo spingerebbero fuori rotta con una spinta lenta e costante, o trattori gravitazionali, veicoli spaziali che voleranno vicino a un asteroide e, nell'arco di anni o addirittura decenni, lo tirerebbero fuori dalla collisione corso dalla forza della loro stessa gravità.
Entrambe queste alternative sono tecnicamente più complicate di un impattore cinetico come DART. Ma DART sta anche testando tecnologie che potrebbero essere applicate ai successivi veicoli spaziali.
Ad esempio, dimostrerà il nuovo propulsore ionico, NEXT-C. Questo non è necessario per la missione di DART, che si baserà principalmente su razzi chimici convenzionali. Ma i propulsori ionici, che utilizzano l'elettricità per generare slancio, sono molto più efficienti delle loro controparti chimiche. Con poche centinaia di libbre di propellente possono realizzare ciò che richiederebbe decine di migliaia di libbre di combustibile chimico come l'idrazina. Solo due veicoli spaziali, Deep Space One e Dawn, hanno utilizzato propulsori ionici nello spazio profondo e NEXT-C è circa tre volte più potente di quelli in quelle missioni.
Per generare l'elettricità per alimentare NEXT-C, DART utilizzerà anche un nuovo pannello solare srotolabile più leggero dei tradizionali pannelli solari pieghevoli. Dando agli aspiranti difensori planetari più traiettorie tra cui scegliere, sofisticati sistemi di propulsione permetterebbero agli impattatori di colpire gli asteroidi in arrivo a velocità più elevate.
Un rendering del veicolo spaziale DART, con il suo motore ionico sperimentale NEXT-C che si accende.
NASA/JOHN HOPKINS APLPrima si riesce a rilevare un asteroide, o un altro oggetto, come una cometa, che si dirige verso la Terra, più facile sarà fare qualcosa al riguardo. Quasi tutti gli asteroidi che potrebbero rappresentare una minaccia a livello di estinzione per la vita sulla Terra sono già stati trovati. Queste sono enormi rocce di diverse miglia di diametro, e nessuna di quelle conosciute sta minacciando l'umanità a breve. (Si pensa che l'impatto di Chicxulub che ha portato all'estinzione dei dinosauri abbia coinvolto un oggetto dell'ordine di 10 miglia di diametro.) Ma gli astronomi non hanno trovato tutti gli asteroidi più piccoli, ma comunque pericolosi, come la meteora esplosa sopra Chelyabinsk, Russia, nel 2013, con la forza di una bomba nucleare di medie dimensioni. L'oggetto di Chelyabinsk aveva un diametro di circa 20 metri; il suo sciopero ha rotto le finestre per 200 miglia quadrate in pieno inverno in un'area densamente popolata. Diciassettecento persone sono rimaste ferite, per lo più a causa di vetri rotti.
Quarant'anni fa, non sapevamo se avremmo potuto essere spazzati via da un gigantesco asteroide killer una settimana a partire da martedì prossimo. Quel particolare rischio di ignoranza è stato ritirato, afferma Statler, lo scienziato del programma DART. Ma gli oggetti più piccoli di 500 piedi, delle dimensioni di Dimorphos, sono difficili da individuare per gli attuali osservatori, sia terrestri che satellitari. (Un asteroide di 500 piedi di diametro colpirebbe all'incirca con l'impatto della più grande bomba atomica della storia.) In questo momento, dice Statler, forse un quarto del numero totale di piccoli oggetti potenzialmente pericolosi è stato identificato. Se non sappiamo dove si trovano, dice, allora non abbiamo la capacità di prevedere quando potrebbe verificarsi un impatto e quando potremmo dover fare una deviazione.
La missione da mezzo miliardo di dollari Near-Earth Object Surveillance Mission, un telescopio orbitale a infrarossi finanziato dal Planetary Defense Coordination Office, sarà lanciato entro la fine di questo decennio e dovrebbe aiutare a risolvere questo problema. Poiché osserva nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso, avrà una capacità maggiore rispetto ai telescopi a luce visibile di guardare verso il sole. Sarà in grado di rilevare oggetti bagnati dalla luce solare e quindi non visibili ai telescopi terrestri. Inoltre, l'osservatorio Vera Rubin, un nuovo telescopio in costruzione in Cile, cercherà oggetti pericolosi utilizzando una fotocamera da 3.200 megapixel, la più grande mai utilizzata in astronomia. La nostra speranza in altri 20 anni è dire: 'Sì, abbiamo ritirato anche questo rischio e sappiamo quali tenere d'occhio', afferma Statler.
Prima viene trovato un oggetto in arrivo, meno potente deve essere un dispositivo di simulazione progettato dall'uomo per svolgere il lavoro. Se un pericoloso asteroide o una cometa viene individuato all'undicesima ora, ci vorrà molta più energia per cambiare sufficientemente il suo corso.
LICIACube si separerà da un compartimento in cima a DART 10 giorni prima dell'impatto e dispiegherà i propri piccoli pannelli solari. Mentre il piccolo cubesat resta a guardare, DART colpirà Dimorphos.
Il veicolo spaziale sarà probabilmente frantumato in pezzi molto piccoli, alcuni trasformati in polvere. La maggior parte dei suoi resti verrà espulsa di nuovo come materiale espulso quando si formerà il cratere. È possibile che grandi membri strutturali sopravvivano, anche se saranno sepolti a una profondità di 10 piedi nell'asteroide. LICIACube osserverà il pennacchio di materiale espulso mentre esce e fotograferà anche il lato opposto di Dimorphos mentre passa. Ma non avrà un mezzo per rallentare: LICIACube continuerà ad accelerare oltre Dimorphos nelle profondità dello spazio.
L'Agenzia spaziale europea sta pianificando una missione chiamata Hera, che dovrebbe essere lanciata nel 2024 e rivisitare Dimorphos all'inizio del 2027 per effettuare misurazioni più precise della sua massa, studiarne la composizione e determinare β con ancora maggiore precisione. Hera trasporterà due cubetti a sé stante e viaggerà nel sistema Didymos-Dimorphos per un periodo pianificato da tre a sei mesi, raccogliendo molti più dati.
Se tutto andrà bene, DART lascerà la Terra alla fine di luglio 2021. Il 30 settembre 2022 cesserà di esistere: anni di sforzi da parte di centinaia di persone trasmutati in una spintarella, la prima di una nuova era.