Избежание столкновения с астероидом охватывает методы, с помощью которых околоземные объекты (NEO) на потенциальном курсе столкновения с Землей могут быть отклонены, предотвращая разрушительные события столкновения . Столкновение достаточно большого астероида или других околоземных объектов может вызвать, в зависимости от места его столкновения, массивные цунами или множественные огненные штормы , а также ударную зиму, вызванную эффектом блокировки солнечного света большим количеством измельченной каменной пыли и другого мусора, помещенного в стратосферу . Считается, что столкновение 66 миллионов лет назад между Землей и объектом шириной приблизительно 10 километров (6 миль) привело к образованию кратера Чиксулуб и спровоцировало мел-палеогеновое вымирание , которое, как понимает научное сообщество, вызвало вымирание всех нептичьих динозавров.
Хотя вероятность крупного столкновения в ближайшей перспективе невелика, можно почти наверняка утверждать , что оно произойдет в конечном итоге, если не будут приняты защитные меры. Астрономические события, такие как падение кометы Shoemaker-Levy 9 на Юпитер и метеора Челябинск 2013 года , а также растущее число околоземных объектов, обнаруженных и занесенных в таблицу рисков Sentry , вновь привлекли внимание к таким угрозам. [1] Популярность фильма 2021 года « Не смотри вверх» помогла повысить осведомленность о возможности избегать околоземных объектов . [2]
В 2016 году ученый НАСА предупредил, что Земля не готова к такому событию. [3] В апреле 2018 года фонд B612 сообщил: «На 100 процентов наверняка нас поразит разрушительный астероид, но мы не уверены на 100 процентов, когда это произойдет». [4] Также в 2018 году физик Стивен Хокинг в своей последней книге « Краткие ответы на большие вопросы » назвал столкновение с астероидом самой большой угрозой для планеты. [5] [6] Было описано несколько способов избежать столкновения с астероидом. [7] Тем не менее, в марте 2019 года ученые сообщили, что астероиды может быть гораздо сложнее уничтожить, чем считалось ранее. [8] [9] Кроме того, астероид может заново собраться из-за гравитации после разрушения. [10] В мае 2021 года астрономы НАСА сообщили, что для предотвращения виртуального удара может потребоваться от 5 до 10 лет подготовки, основываясь на моделируемых учениях, проведенных на Конференции по планетарной обороне 2021 года. [11] [12] [13]
В 2022 году космический аппарат NASA DART врезался в Диморфос , сократив орбитальный период малой планеты-спутника на 32 минуты. Эта миссия представляет собой первую успешную попытку отклонения астероида. [14] В 2025 году CNSA планирует запустить еще одну миссию по отклонению к околоземному объекту 2019 VL5 , астероиду шириной 30 метров (100 футов), которая будет включать как ударный аппарат, так и космический аппарат-наблюдатель. [15] [16]
Согласно экспертным показаниям в Конгрессе США в 2013 году, НАСА потребуется не менее пяти лет подготовки, прежде чем миссия по перехвату астероида может быть запущена. [17] В июне 2018 года Национальный совет по науке и технологиям США предупредил, что Соединенные Штаты не готовы к столкновению с астероидом, и разработал и опубликовал «План действий по национальной стратегии готовности к столкновению с околоземными объектами» для лучшей подготовки. [18] [19] [20] [21]
Большинство усилий по отклонению для крупного объекта требуют от года до десятилетий предупреждения, что дает время на подготовку и реализацию проекта по предотвращению столкновений, поскольку до сих пор не разработано ни одного известного планетарного оборонного оборудования. Было подсчитано, что для успешного отклонения тела на траекторию прямого столкновения необходимо изменение скорости всего на 0,035 м/с ÷ t (где t — количество лет до потенциального столкновения). Таким образом, в течение большого количества лет до столкновения необходимы гораздо меньшие изменения скорости. [22] Например, было подсчитано, что существует высокая вероятность того, что 99942 Апофис пролетит мимо Земли в 2029 году с вероятностью 10−4 вернуться на траекторию столкновения в 2035 или 2036 году. Затем было определено, что отклонение от этой потенциальной траектории возврата за несколько лет до пролета может быть достигнуто с изменением скорости порядка 10−6 м /с. [23]
Испытание NASA по перенаправлению двойного астероида (DART), первая в мире полномасштабная миссия по испытанию технологии защиты Земли от потенциальных опасностей астероидов или комет, было запущено на ракете SpaceX Falcon 9 с космодрома 4 East на базе космических сил Ванденберг в Калифорнии. [24]
Удар астероида размером 10 километров (6 миль) по Земле исторически вызывал событие уровня вымирания из- за катастрофического ущерба биосфере . Существует также угроза от комет, входящих во внутреннюю часть Солнечной системы. Скорость удара долгопериодической кометы, вероятно, будет в несколько раз больше, чем у околоземного астероида , что делает ее удар гораздо более разрушительным; кроме того, время предупреждения вряд ли будет больше нескольких месяцев. [25] Удары от объектов диаметром всего 50 метров (160 футов), которые встречаются гораздо чаще, исторически являются чрезвычайно разрушительными в региональном масштабе (см. кратер Барринджера ).
Также полезно выяснить материальный состав объекта, прежде чем решать, какая стратегия подходит. Такие миссии, как зонд Deep Impact 2005 года и космический аппарат Rosetta , предоставили ценную информацию о том, чего ожидать. В октябре 2022 года был предложен метод картирования внутренностей потенциально проблемного астероида для определения наилучшей области для удара. [26]
Усилия по прогнозированию столкновений с астероидами были сосредоточены на методе обследования. Семинар по перехвату околоземных объектов, спонсируемый NASA в 1992 году и организованный Los Alamos National Laboratory, оценил проблемы, связанные с перехватом небесных объектов, которые могут столкнуться с Землей. [27] В отчете NASA за 1992 год [28] было рекомендовано провести скоординированное обследование Spaceguard для обнаружения, проверки и предоставления последующих наблюдений за астероидами, пересекающими орбиту Земли. Ожидалось, что это обследование обнаружит 90% этих объектов размером более одного километра в течение 25 лет. Три года спустя в другом отчете NASA [29] были рекомендованы поисковые обследования, которые обнаружат 60–70% короткопериодических околоземных объектов размером более одного километра в течение десяти лет и получат 90% полноты в течение еще пяти лет.
В 1998 году НАСА официально поставило перед собой цель найти и каталогизировать к 2008 году 90% всех околоземных объектов (ОСЗ) с диаметром 1 км или более, которые могут представлять риск столкновения с Землей. Метрика диаметра 1 км была выбрана после того, как значительное исследование показало, что столкновение объекта размером менее 1 км может вызвать значительный локальный или региональный ущерб, но вряд ли вызовет всемирную катастрофу. [28] Столкновение объекта диаметром намного больше 1 км вполне может привести к всемирному ущербу вплоть до и потенциально включая вымирание человеческого вида . Обязательства NASA привели к финансированию ряда проектов по поиску околоземных объектов, в ходе которых был достигнут значительный прогресс в достижении цели в 90% к 2008 году. Однако открытие в 2009 году нескольких околоземных объектов диаметром приблизительно от 2 до 3 километров (например, 2009 CR 2 , 2009 HC 82 , 2009 KJ , 2009 MS и 2009 OG ) показало, что все еще есть крупные объекты, которые предстоит обнаружить.
Представитель США Джордж Э. Браун-младший (демократ от Калифорнии) был процитирован в Air & Space Power Chronicles , где он выразил свою поддержку проектам планетарной обороны , заявив: «Если когда-нибудь в будущем мы заблаговременно обнаружим, что астероид, достаточно большой, чтобы вызвать массовое вымирание, собирается столкнуться с Землей, а затем изменим курс этого астероида так, чтобы он не ударил нас, это станет одним из важнейших достижений за всю историю человечества». [30]
Из-за давней приверженности конгрессмена Брауна планетарной обороне законопроект Палаты представителей США HR 1022 был назван в его честь: Закон Джорджа Э. Брауна-младшего об исследовании околоземных объектов. Этот законопроект «предусматривает программу исследования околоземных объектов для обнаружения, отслеживания, каталогизации и описания некоторых околоземных астероидов и комет» был представлен в марте 2005 года представителем Даной Рорабахер (республиканец от Калифорнии). [31] В конечном итоге он был включен в S.1281, Закон о разрешении НАСА 2005 года , принятый Конгрессом 22 декабря 2005 года, впоследствии подписанный президентом, и в котором, в частности, говорится:
Конгресс США заявил, что общее благосостояние и безопасность Соединенных Штатов требуют, чтобы уникальная компетенция NASA была направлена на обнаружение, отслеживание, каталогизацию и характеристику околоземных астероидов и комет с целью предупреждения и смягчения потенциальной опасности таких околоземных объектов для Земли. Администратор NASA должен планировать, разрабатывать и внедрять программу обследования околоземных объектов для обнаружения, отслеживания, каталогизации и характеристики физических характеристик околоземных объектов, равных или более 140 метров в диаметре, с целью оценки угрозы таких околоземных объектов для Земли. Целью программы обследования должно быть достижение 90% завершения ее каталога околоземных объектов (на основе статистически предсказанных популяций околоземных объектов) в течение 15 лет после даты принятия настоящего Закона. Администратор НАСА должен передать Конгрессу не позднее, чем через 1 год после даты вступления в силу настоящего Закона первоначальный отчет, содержащий следующее: (A) Анализ возможных альтернатив, которые НАСА может использовать для выполнения программы обследования, включая наземные и космические альтернативы с техническими описаниями. (B) Рекомендуемый вариант и предлагаемый бюджет для выполнения программы обследования в соответствии с рекомендуемым вариантом. (C) Анализ возможных альтернатив, которые НАСА может использовать для отклонения объекта от вероятного курса столкновения с Землей.
Результатом этой директивы стал отчет, представленный Конгрессу в начале марта 2007 года. Это было исследование Анализа альтернатив (AoA), проведенное под руководством Управления анализа и оценки программ (PA&E) НАСА при поддержке внешних консультантов, Аэрокосмической корпорации, Исследовательского центра НАСА в Лэнгли (LaRC) и SAIC (среди прочих).
См. также Улучшение прогнозирования воздействия .
Центр малых планет в Кембридже, штат Массачусетс, каталогизирует орбиты астероидов и комет с 1947 года. Недавно к нему присоединились исследования, специализирующиеся на определении местоположения околоземных объектов (NEO), многие из которых (по состоянию на начало 2007 года) финансируются офисом программы NASA по околоземным объектам в рамках их программы Spaceguard. Одним из самых известных является LINEAR , который был запущен в 1996 году. К 2004 году LINEAR открывал десятки тысяч объектов каждый год и составлял 65% всех новых обнаружений астероидов. [32] LINEAR использует два однометровых телескопа и один полуметровый телескоп, базирующиеся в Нью-Мексико. [33]
Обзор неба Catalina ( CSS) проводится на станции Catalina обсерватории Steward , расположенной недалеко от Тусона, штат Аризона , в Соединенных Штатах. Он использует два телескопа: 1,5-метровый (59 дюймов) телескоп f/2 на вершине горы Леммон и 68-сантиметровый (27 дюймов) телескоп f/1.7 Шмидта около горы Бигелоу (оба в районе Тусона, штат Аризона). В 2005 году CSS стал самым плодовитым обзором NEO, превзойдя Lincoln Near-Earth Asteroid Research (LINEAR) по общему числу ежегодно обнаруживаемых NEO и потенциально опасных астероидов. CSS обнаружил 310 NEO в 2005 году, 396 в 2006 году, 466 в 2007 году и в 2008 году было обнаружено 564 NEO. [34]
Spacewatch , который использует 90-сантиметровый (35-дюймовый) телескоп, расположенный в обсерватории Китт-Пик в Аризоне, обновленный автоматическим оборудованием для наведения, визуализации и анализа для поиска в небе нарушителей, был создан в 1980 году Томом Герелсом и Робертом С. Макмилланом из Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны в Тусоне и в настоящее время управляется Макмилланом. Проект Spacewatch приобрел 1,8-метровый (71-дюймовый) телескоп, также в Китт-Пик, для поиска околоземных объектов и снабдил старый 90-сантиметровый телескоп улучшенной электронной системой визуализации с гораздо большим разрешением, что улучшило его поисковые возможности. [35]
Другие программы слежения за околоземными объектами включают в себя отслеживание околоземных астероидов (NEAT), поиск околоземных объектов обсерватории Лоуэлла (LONEOS), исследование околоземных объектов Кампо Императоре (CINEOS), Японскую ассоциацию космической охраны и обзор астероидов Asiago-DLR . [36] Pan-STARRS завершил строительство телескопа в 2010 году и в настоящее время ведет активные наблюдения.
Система оповещения о столкновении астероидов с Землей , которая сейчас находится в эксплуатации, проводит частые сканирования неба с целью обнаружения на более поздней стадии столкновения на участке орбиты астероида. Это было бы слишком поздно для отклонения, но все еще вовремя для эвакуации и подготовки пострадавшего региона Земли.
Другой проект, поддерживаемый Европейским союзом , — это NEOShield , который анализирует реалистичные варианты предотвращения столкновения NEO с Землей. Их цель — предоставить проекты испытательных миссий для осуществимых концепций смягчения последствий NEO. Проект особенно подчеркивает два аспекта. [37]
« Космическая стража » — это название этих слабо связанных программ, некоторые из которых получают финансирование от НАСА для выполнения требования Конгресса США по обнаружению 90% околоземных астероидов диаметром более 1 км к 2008 году. [39] Исследование НАСА 2003 года последующей программы предполагает потратить 250–450 миллионов долларов США на обнаружение 90% всех околоземных астероидов диаметром 140 метров (460 футов) и больше к 2028 году. [40]
NEODyS — это онлайн-база данных известных околоземных объектов.
Фонд B612 — это частный некоммерческий фонд со штаб-квартирой в США, занимающийся защитой Земли от ударов астероидов . Его возглавляют в основном ученые, бывшие астронавты и инженеры из Института перспективных исследований , Юго-западного исследовательского института , Стэнфордского университета , NASA и космической отрасли .
Как неправительственная организация, она провела два направления связанных исследований, чтобы помочь обнаружить околоземные объекты, которые могут однажды столкнуться с Землей, и найти технологические средства для изменения их пути, чтобы избежать таких столкновений. Целью фонда было спроектировать и построить финансируемый из частных источников космический телескоп для поиска астероидов Sentinel , который должен был быть запущен в 2017–2018 годах. Однако проект был отменен в 2015 году. Если бы инфракрасный телескоп Sentinel был припаркован на орбите, похожей на орбиту Венеры , он помог бы идентифицировать угрожающие околоземные объекты, каталогизировав 90% тех, диаметр которых превышает 140 метров (460 футов), а также обследовав более мелкие объекты Солнечной системы. [41] [42] [43]
Данные, собранные Sentinel, помогли бы идентифицировать астероиды и другие околоземные объекты, которые представляют риск столкновения с Землей, путем их передачи в научные сети обмена данными, включая NASA и академические учреждения, такие как Центр малых планет. [42] [43] [44] Фонд также предлагает отклонять потенциально опасные околоземные объекты астероидами с помощью гравитационных тягачей , чтобы отклонить их траектории от Земли, [45] [46] концепция, совместно изобретенная генеральным директором организации, физиком и бывшим астронавтом NASA Эдом Лу . [47]
Orbit@home намерен предоставить распределенные вычислительные ресурсы для оптимизации стратегии поиска. 16 февраля 2013 года проект был остановлен из-за отсутствия грантового финансирования. [48] Однако 23 июля 2013 года проект orbit@home был выбран для финансирования программой NASA Near Earth Object Observation и должен был возобновить работу в начале 2014 года. [49] По состоянию на 13 июля 2018 года проект находится в автономном режиме, согласно его веб-сайту. [50]
Ожидается, что строящийся в настоящее время Большой синоптический обзорный телескоп проведет комплексное обследование с высоким разрешением в начале 2020-х годов .
8 ноября 2007 года подкомитет по космосу и аэронавтике Комитета по науке и технике Палаты представителей провел слушания по изучению статуса программы NASA по исследованию околоземных объектов. Перспектива использования Wide-field Infrared Survey Explorer была предложена должностными лицами NASA. [51]
WISE исследовал небо в инфракрасном диапазоне с очень высокой чувствительностью. Астероиды, поглощающие солнечное излучение, можно наблюдать в инфракрасном диапазоне. Он использовался для обнаружения околоземных объектов, в дополнение к выполнению своих научных задач. Прогнозируется, что WISE сможет обнаружить 400 околоземных объектов (примерно два процента от предполагаемой популяции околоземных объектов, представляющих интерес) в течение одногодичной миссии.
NEOSSat , спутник наблюдения за околоземными объектами, представляет собой микроспутник, запущенный в феврале 2013 года Канадским космическим агентством (CSA), который будет охотиться за околоземными объектами в космосе. [52] [53] Кроме того, околоземные объекты WISE (NEOWISE) , расширение миссии WISE , были запущены в сентябре 2013 года (в рамках второго расширения миссии) для охоты за астероидами и кометами вблизи орбиты Земли . [54] [55]
Исследование, опубликованное в выпуске журнала Nature от 26 марта 2009 года , описывает, как ученые смогли идентифицировать астероид в космосе до того, как он вошел в атмосферу Земли, что позволило компьютерам определить область его происхождения в Солнечной системе, а также предсказать время прибытия и местоположение на Земле его разрушенных уцелевших частей. Четырехметровый астероид, названный 2008 TC 3 , был первоначально обнаружен автоматизированным телескопом Catalina Sky Survey 6 октября 2008 года. Расчеты правильно предсказали, что он упадет через 19 часов после открытия в Нубийской пустыне на севере Судана. [56]
Был выявлен ряд потенциальных угроз, таких как 99942 Апофис (ранее известный по предварительному обозначению 2004 MN 4 ), который в 2004 году временно имел вероятность столкновения около 3% в 2029 году. Дополнительные наблюдения пересмотрели эту вероятность до нуля. [57]
26 сентября 2022 года DART столкнулся с Диморфосом , сократив орбитальный период малой планеты-луны на 32 минуты. Эта миссия стала первой успешной попыткой отклонения астероида. [14]
В 2025 году CNSA Китая намерено запустить миссию отклонения к околоземному объекту 2019 VL5 , астероиду шириной 30 метров. Миссия будет запущена на ракете Long March 3B и будет нести как ударный аппарат, так и космический аппарат-наблюдатель. [15] [16] [58]
Эллипсы на диаграмме справа показывают прогнозируемое положение примера астероида при максимальном сближении с Землей. Сначала, при наличии лишь нескольких наблюдений астероида, эллипс ошибки очень большой и включает Землю. Дальнейшие наблюдения уменьшают эллипс ошибки, но он все еще включает Землю. Это увеличивает прогнозируемую вероятность столкновения, поскольку Земля теперь покрывает большую часть области ошибки. Наконец, еще больше наблюдений (часто радиолокационные наблюдения или обнаружение предыдущего наблюдения того же астероида на архивных изображениях) уменьшают эллипс, показывая, что Земля находится за пределами области ошибки, и вероятность столкновения близка к нулю. [59]
Для астероидов, которые фактически находятся на пути к столкновению с Землей, прогнозируемая вероятность столкновения продолжает расти по мере увеличения количества наблюдений. Эта схожая картина затрудняет различение астероидов, которые только приблизятся к Земле, и тех, которые действительно в нее врежутся. Это, в свою очередь, затрудняет принятие решения о том, когда следует поднимать тревогу, поскольку получение большей уверенности требует времени, что сокращает время, доступное для реагирования на прогнозируемое столкновение. Однако слишком раннее поднятие тревоги может вызвать ложную тревогу и создать эффект «Мальчика, который кричал «Волки!»» , если астероид действительно пролетит мимо Земли. [60]
Различные методы избежания столкновений имеют различные компромиссы в отношении таких показателей, как общая производительность, стоимость, риски отказов, операции и готовность технологий. [61] Существуют различные методы изменения курса астероида/кометы. [62] Они могут различаться по различным типам атрибутов, таким как тип смягчения (отклонение или фрагментация), источник энергии (кинетический, электромагнитный, гравитационный, солнечный/тепловой или ядерный) и стратегия подхода (перехват, [63] [64] рандеву или удаленная станция).
Стратегии делятся на два основных типа: фрагментация изадержка. [62] [65] Фрагментация концентрируется на том, чтобы сделать ударник безвредным путем его фрагментации и рассеивания фрагментов так, чтобы они промахнулись мимо Земли или были достаточно малы, чтобы сгореть в атмосфере. Задержка использует тот факт, что и Земля, и ударник находятся на орбите. Удар происходит, когда оба достигают одной и той же точки в пространстве в одно и то же время, или, правильнее сказать, когда некоторая точка на поверхности Земли пересекает орбиту ударника, когда ударник прибывает. Поскольку Земля имеет приблизительно 12 750 километров (7920 миль) в диаметре и движется со скоростью приблизительно 30 км/с (19 миль/с) по своей орбите, она проходит расстояние одного планетарного диаметра примерно за 425 секунд или чуть более семи минут. Задержка или опережение прибытия ударника на время такой величины может, в зависимости от точной геометрии удара, привести к тому, что он промахнется мимо Земли. [66]
Стратегии избегания столкновений также можно рассматривать как прямые или косвенные и в зависимости от того, как быстро они передают энергию объекту. Прямые методы, такие как ядерные взрывчатые вещества или кинетические ударники, быстро перехватывают путь болида. Прямые методы предпочтительны, потому что они, как правило, менее затратны по времени и деньгам. [ требуется ссылка ] Их эффект может быть немедленным, что экономит драгоценное время. Эти методы будут работать для угроз с коротким и длительным уведомлением и наиболее эффективны против твердых объектов, которые можно напрямую толкать, но в случае кинетических ударников они не очень эффективны против больших свободно агрегированных груд щебня. Косвенные методы, такие как гравитационные тягачи , присоединение ракет или массовых двигателей, намного медленнее. Они требуют путешествия к объекту, изменения курса до 180 градусов для космической встречи , а затем гораздо больше времени, чтобы изменить путь астероида ровно настолько, чтобы он пролетел мимо Земли. [ требуется ссылка ]
Многие околоземные объекты считаются «летающими грудами обломков », которые лишь слабо удерживаются вместе гравитацией, и типичная попытка отклонения кинетического ударника размером с космический корабль может просто разбить объект или фрагментировать его без достаточной корректировки его курса. [67] Если астероид распадается на фрагменты, любой фрагмент размером более 35 метров (115 футов) в поперечнике не сгорит в атмосфере и сам может столкнуться с Землей. Отслеживание тысяч фрагментов, похожих на дробь , которые могут возникнуть в результате такого взрыва, было бы очень сложной задачей, хотя фрагментация была бы предпочтительнее, чем ничего не делать и позволить изначально большему телу обломков, которое аналогично дроби и восковому слизню , столкнуться с Землей. [ требуется ссылка ]
В моделировании Cielo , проведенном в 2011–2012 годах, в котором скорость и количество подачи энергии были достаточно высокими и соответствовали размеру груды обломков, например, после специально спланированного ядерного взрыва, результаты показали, что любые фрагменты астероида, созданные после подачи импульса энергии, не будут представлять угрозы повторного слияния (включая те, которые имеют форму астероида Итокава ), но вместо этого быстро достигнут скорости отрыва от своего родительского тела (которая для Итокавы составляет около 0,2 м/с) и, следовательно, выйдут из траектории столкновения с Землей. [68] [69] [70]
Инициирование ядерного взрывного устройства над , на , или немного ниже , поверхностью угрожающего небесного тела является потенциальным вариантом отклонения, при этом оптимальная высота детонации зависит от состава и размера объекта. [75] [76] [77] Для смягчения угрозы столкновения не требуется, чтобы весь NEO был испарен. В случае входящей угрозы от «кучи обломков» отступ , или высота детонации над конфигурацией поверхности, была предложена как средство предотвращения потенциального разрушения кучи обломков. [78] Энергичные нейтроны и мягкие рентгеновские лучи , высвобождаемые детонацией, которые не проникают в вещество в значительной степени, [79] преобразуются в тепло при столкновении с поверхностным веществом объекта, абляционно испаряя все открытые участки поверхности объекта, находящиеся на линии прямой видимости , на небольшую глубину, [78] превращая нагреваемый им поверхностный материал в выбросы , и, аналогично выбросам от выхлопа химического ракетного двигателя , изменяя скорость или «подталкивая» объект с курса посредством реакции, следуя третьему закону Ньютона , при этом выбросы идут в одну сторону, а объект движется в другую. [78] [80] В зависимости от энергии взрывного устройства, результирующий эффект выхлопа ракеты , созданный высокой скоростью выброса испаренной массы астероида, в сочетании с небольшим уменьшением массы объекта, вызовет достаточное изменение орбиты объекта, чтобы он пролетел мимо Земли. [68] [80]
Была предложена миссия по смягчению последствий столкновения с гиперскоростными астероидами (HAMMER). [81] Хотя по состоянию на 2023 год обновлений относительно HAMMER не было, NASA опубликовало свою регулярную Стратегию планетарной обороны и План действий на 2023 год. В ней NASA признает, что крайне важно продолжать изучать потенциал ядерной энергии для отклонения или уничтожения астероидов. Это связано с тем, что в настоящее время это единственный вариант защиты, если ученые не узнают об астероиде в течение нескольких месяцев или лет, в зависимости от скорости астероида. В отчете также отмечается, что необходимо провести исследование правовых последствий, а также политических последствий по этой теме. [82]
Если объект очень большой, но все еще представляет собой груду слабосвязанных обломков, решением является детонация одного или серии ядерных взрывных устройств рядом с астероидом на высоте 20 метров (66 футов) или выше над его поверхностью, [ требуется ссылка ] , чтобы не сломать потенциально слабосвязанный объект. При условии, что эта стратегия дистанцирования была реализована достаточно заранее, сила от достаточного количества ядерных взрывов изменит траекторию объекта достаточно, чтобы избежать столкновения, согласно компьютерному моделированию и экспериментальным данным по метеоритам, подвергнутым воздействию тепловых рентгеновских импульсов Z -машины . [83]
В 1967 году аспирантам под руководством профессора Пола Сандорфа в Массачусетском технологическом институте было поручено разработать метод предотвращения гипотетического 18-месячного отдаленного удара по Земле астероида 1566 Икар диаметром 1,4 километра (0,87 мили) , объекта, который регулярно приближается к Земле на близкое расстояние, иногда на расстояние до 16 лунных расстояний . [84] Чтобы выполнить задачу в установленные сроки и с ограниченными материальными знаниями о составе астероида, была задумана система переменного расстояния. Это использовало бы несколько модифицированных ракет Сатурн V , отправленных на курсы перехвата, и создание нескольких ядерных взрывных устройств в диапазоне энергии 100 мегатонн — по совпадению, такой же, как максимальная мощность советской Царь-бомбы, если бы использовался урановый тампер — в качестве полезной нагрузки каждого ракетного транспортного средства . [85] [86] Исследование проекта было позже опубликовано как проект «Икар» [87] , который послужил источником вдохновения для фильма «Метеор» 1979 года . [86] [88] [89]
Анализ альтернатив отклонения, проведенный НАСА в 2007 году, показал:
Ядерные взрывы с дистанционным управлением оцениваются в 10–100 раз более эффективными, чем неядерные альтернативы, проанализированные в этом исследовании. Другие методы, включающие поверхностное или подповерхностное использование ядерных взрывчатых веществ, могут быть более эффективными, но они несут повышенный риск разрушения целевого объекта NEO. Они также несут более высокие риски разработки и эксплуатации. [90]
В том же году НАСА опубликовало исследование, в котором предполагалось, что астероид Апофис (диаметром около 300 метров или 1000 футов) имеет гораздо меньшую плотность обломков (1500 кг/м3 или 100 фунтов/куб. фут) и, следовательно, меньшую массу, чем известно сейчас, и в исследовании предполагалось, что он будет находиться на траектории столкновения с Землей в 2029 году. При этих гипотетических условиях отчет определяет, что «космического аппарата Cradle» будет достаточно, чтобы отклонить его от столкновения с Землей. Этот концептуальный космический аппарат содержит шесть физических пакетов B83 , каждый из которых настроен на максимальную мощность в 1,2 мегатонны, [80] связанных вместе и поднятых кораблем Ares V где-то в 2020-х годах, при этом каждый B83 взрывается для детонации над поверхностью астероида на высоте 100 метров или 330 футов («1/3 диаметра объекта» в качестве его отступа), один за другим, с часовыми интервалами между каждым взрывом. Результаты этого исследования показали, что однократное использование этой опции «может отклонять околоземные объекты [диаметром 100–500 метров или 300–1600 футов] за два года до столкновения, а более крупные околоземные объекты с предупреждением по крайней мере за пять лет». [80] [91] Эти показатели эффективности считаются авторами «консервативными», и учитывался только тепловой рентгеновский выход устройств B83, в то время как нейтронный нагрев пренебрегал для простоты расчетов. [91] [92]
Исследование, опубликованное в 2021 году, указало на тот факт, что для эффективной миссии по отклонению должно быть значительное время предупреждения, в идеале — несколько лет или больше. Чем больше времени предупреждения, тем меньше энергии потребуется для отклонения астероида, чтобы скорректировать траекторию и избежать Земли. Исследование также подчеркнуло, что отклонение, в отличие от разрушения, может быть более безопасным вариантом, поскольку существует меньшая вероятность падения обломков астероида на поверхность Земли. Исследователи предложили, что лучший способ отклонения астероида с помощью отклонения — это регулировка выхода нейтронной энергии при ядерном взрыве. [93]
В 2011 году директор Центра исследований отклонения астероидов в Университете штата Айова , доктор Бонг Ви (который ранее опубликовал исследования кинетического отклонения ударника [67] ), начал изучать стратегии, которые могли бы справиться с объектами диаметром от 50 до 500 метров (200–1600 футов), когда время до столкновения с Землей составляло менее одного года. Он пришел к выводу, что для обеспечения необходимой энергии ядерный взрыв или другое событие, которое могло бы обеспечить ту же мощность, являются единственными методами, которые могут работать против очень большого астероида в пределах этих временных ограничений.
Результатом этой работы стало создание концептуального гиперскоростного аппарата для перехвата астероидов (HAIV), который объединяет кинетический ударник для создания начального кратера для последующей подповерхностной ядерной детонации внутри этого начального кратера, что обеспечит высокую степень эффективности преобразования ядерной энергии, высвобождаемой при детонации, в энергию движения астероида. [95]
Аналогичное предложение предполагает использование ядерного устройства поверхностного взрыва вместо кинетического ударника для создания первоначального кратера, а затем использование кратера в качестве сопла ракеты для направления последующих ядерных взрывов.
Ви утверждал, что компьютерные модели, над которыми он работал, показали возможность уничтожения астероида шириной 300 метров (1000 футов) с помощью одного HAIV с временем предупреждения 30 дней. Кроме того, модели показали, что менее 0,1% обломков астероида достигнут поверхности Земли. [96] Однако с 2014 года от Ви и его команды было мало существенных обновлений относительно исследования.
С 2015 года Ви сотрудничает с Датским проектом по защите от астероидов (EADP), который в конечном итоге намерен собрать достаточно средств для проектирования, строительства и хранения неядерного космического корабля HAIV в качестве планетарного страхования. Для угрожающих астероидов, слишком больших и/или слишком близких к Земле, чтобы их можно было эффективно отклонить с помощью неядерного подхода HAIV, ядерные взрывные устройства (с 5% взрывной мощности, чем те, которые используются для стратегии противостояния) должны быть заменены под международным контролем, когда возникнут условия, которые этого потребуют. [97]
Исследование, опубликованное в 2020 году, указало, что неядерный кинетический удар становится менее эффективным, чем больше и ближе астероид. Однако исследователи запустили модель, которая предполагала, что ядерный взрыв вблизи поверхности астероида, предназначенный для покрытия одной стороны астероида рентгеновскими лучами, будет эффективным. Когда рентгеновские лучи покрывают одну сторону астероида в программе, они производят энергию движения, которая будет двигать астероид в предпочтительном направлении. [98] Ведущий исследователь исследования Дэйв Дирборн сказал, что ядерный удар обеспечивает большую гибкость, чем неядерный подход, поскольку выходную энергию можно регулировать конкретно в зависимости от размера и местоположения астероида. [99]
После столкновения кометы Шумейкера-Леви 9 с Юпитером в 1994 году Эдвард Теллер предложил коллективу американских и российских разработчиков оружия времен Холодной войны на встрече по планетарной обороне в 1995 году в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) совместно разработать ядерное взрывное устройство мощностью в одну гигатонну , которое было бы эквивалентно кинетической энергии астероида диаметром в один километр (0,6 мили). [101] [102] [103] Теоретическое устройство мощностью в одну гигатонну будет весить около 25–30 тонн, достаточно легкое, чтобы его можно было поднять на ракете «Энергия» . Его можно было бы использовать для мгновенного испарения астероида диаметром в один километр, изменения траекторий астероидов класса ELE (более 10 километров или 6,2 мили в диаметре) в течение нескольких месяцев. При уведомлении за один год и в месте перехвата не ближе, чем Юпитер , он также мог бы иметь дело с еще более редкими кометами с коротким периодом обращения , которые могут выходить из пояса Койпера и проходить мимо орбиты Земли в течение двух лет. [ необходимо разъяснение ] Для комет этого класса, с максимальным расчетным диаметром 100 километров (60 миль), Хирон служил гипотетической угрозой. [101] [102] [103]
В 2013 году соответствующие национальные лаборатории США и России подписали соглашение, которое включало намерение сотрудничать в области защиты от астероидов. [104] Соглашение должно было дополнить Новый договор СНВ , но Россия приостановила свое участие в договоре в 2023 году. [105] По состоянию на апрель 2023 года не было официальных обновлений от Белого дома или Москвы о том, как приостановленное участие России повлияет на смежные договоры.
По состоянию на конец 2022 года наиболее вероятный и эффективный метод отклонения астероида не связан с ядерной технологией. Вместо этого он включает кинетический ударник, предназначенный для перенаправления астероида, что показало многообещающие результаты в миссии NASA DART. [106] Для ядерной технологии были проведены симуляции, анализирующие возможность использования нейтронной энергии, выделяемой ядерным устройством, для перенаправления астероида. Эти симуляции оказались многообещающими, и одно исследование показало, что увеличение выходной энергии нейтронов оказало заметное влияние на угол движения астероида. [93] Однако по состоянию на апрель 2023 года не было практического испытания, изучающего эту возможность.
Удар массивного объекта, например, космического корабля или даже другого околоземного объекта, является еще одним возможным решением для ожидаемого удара NEO. Объект с большой массой, находящийся близко к Земле, может быть отправлен на курс столкновения с астероидом, сбив его с курса.
Когда астероид все еще находится далеко от Земли, одним из способов отклонения астероида является непосредственное изменение его импульса путем столкновения космического корабля с астероидом.
Анализ альтернатив отклонения, проведенный НАСА в 2007 году, показал:
Неядерные кинетические ударники являются наиболее зрелым подходом и могут использоваться в некоторых сценариях отклонения/смягчения, особенно для околоземных объектов, которые состоят из одного небольшого твердого тела. [90]
Этот метод отклонения, который был реализован DART и, для совершенно другой цели (анализ структуры и состава кометы), космическим зондом NASA Deep Impact , включает запуск космического корабля против объекта, находящегося около Земли . Скорость астероида изменяется из-за закона сохранения импульса :
где V 1 — скорость космического корабля, V 2 — скорость небесного тела до удара, а V 3 — скорость после удара. M 1 и M 2 — масса космического корабля и небесного тела соответственно. Скорости здесь являются векторами .
Миссия Европейского союза NEOShield-2 [110] также в первую очередь изучает метод смягчения кинетического удара. Принцип метода смягчения кинетического удара заключается в том, что NEO или астероид отклоняется после удара от ударного космического корабля. Используется принцип передачи импульса, поскольку ударный элемент врезается в NEO на очень высокой скорости 10 км/с (36 000 км/ч; 22 000 миль/ч) или более. Импульс ударного элемента передается NEO, вызывая изменение скорости и, следовательно, заставляя его немного отклоняться от своего курса. [111]
По состоянию на середину 2021 года была одобрена модифицированная миссия AIDA . В ноябре 2021 года был запущен кинетический ударный космический аппарат NASA Double Asteroid Redirection Test ( DART ). Целью было столкновение с Диморфосом (прозванным Didymoon ), 180-метровым (590 футов) малым спутником околоземного астероида 65803 Didymos . Столкновение произошло в сентябре 2022 года, когда Дидим находился относительно близко к Земле, что позволило наземным телескопам и планетарным радарам наблюдать за событием. Результатом столкновения станет изменение орбитальной скорости и, следовательно, орбитального периода Диморфоса на достаточно большую величину, которую можно будет измерить с Земли. Это впервые покажет, что можно изменить орбиту небольшого 200-метрового (660 футов) астероида, примерно такого размера, который, скорее всего, потребует активного смягчения в будущем. Запуск и использование системы Double Asteroid Redirection Test в марте 2023 года показали миру, что астероиды можно безопасно перенаправлять без использования ядерных средств. Успех этой миссии доказал, что кинетические методы отклонения являются, безусловно, лучшими методами сдерживания астероидов. Вторая часть миссии AIDA — космический аппарат ESA HERA — была одобрена государствами-членами ESA в октябре 2019 года. Он достигнет системы Didymos в 2026 году и измерит как массу Dimorphos, так и точный эффект удара по этому телу, что позволит гораздо лучше экстраполировать миссию AIDA на другие цели. [112]
Другой альтернативой взрывному отклонению является медленное перемещение астероида с течением времени. Небольшое, но постоянное количество тяги накапливается, чтобы достаточно отклонить объект от его курса. Эдвард Т. Лу и Стэнли Г. Лав предложили использовать массивный беспилотный космический корабль, зависший над астероидом, чтобы гравитационно вытянуть астероид на безопасную орбиту. Хотя оба объекта гравитационно притягиваются друг к другу, космический корабль может противодействовать силе, направленной на астероид, например, ионным двигателем , поэтому чистый эффект будет заключаться в том, что астероид ускоряется по направлению к космическому кораблю и, таким образом, слегка отклоняется от своей орбиты. Несмотря на то, что этот метод медленный, у него есть преимущество в том, что он работает независимо от состава астероида или скорости вращения; астероиды из груды обломков будет трудно отклонить с помощью ядерных взрывов, в то время как толкающее устройство будет трудно или неэффективно установить на быстро вращающемся астероиде. Гравитационному тягачу, вероятно, придется провести несколько лет рядом с астероидом, чтобы быть эффективным.
Анализ альтернатив отклонения, проведенный НАСА в 2007 году, показал:
Методы смягчения последствий «медленного толчка» являются самыми дорогими, имеют самый низкий уровень технической готовности, а их способность как перемещаться к угрожающему околоземному объекту, так и отклонять его траекторию будет ограничена, если только не возможны миссии продолжительностью от многих лет до десятилетий. [90]
Другой метод «бесконтактного» отклонения астероида был предложен К. Бомбарделли и Х. Пелаесом из Технического университета Мадрида . Метод заключается в использовании ионного двигателя с низкой дивергенцией, направленного на астероид с близлежащего зависшего космического корабля. Импульс, передаваемый ионами, достигающими поверхности астероида, создает медленную, но непрерывную силу, которая может отклонить астероид аналогично гравитационному тягачу, но с более легким космическим кораблем.
Х. Дж. Мелош и И. В. Немчинов предложили отклонять астероид или комету, фокусируя солнечную энергию на их поверхности, чтобы создать тягу за счет образующегося испарения материала. [113] Этот метод сначала потребовал бы строительства космической станции с системой больших собирающих вогнутых зеркал , подобных тем, которые используются в солнечных печах .
Смягчение орбиты с помощью высококонцентрированного солнечного света масштабируется для достижения заданного отклонения в течение года даже для тела, представляющего глобальную угрозу, без длительного времени предупреждения. [113] [114]
Такая ускоренная стратегия может стать актуальной в случае позднего обнаружения потенциальной опасности, а также, при необходимости, для предоставления возможности для некоторых дополнительных действий. Обычные вогнутые отражатели практически неприменимы к высококонцентрирующей геометрии в случае гигантской затеняющей космической цели, которая расположена перед зеркальной поверхностью. Это в первую очередь из-за резкого разброса фокусных точек зеркал на цели из-за оптической аберрации , когда оптическая ось не совмещена с Солнцем. С другой стороны, размещение любого коллектора на расстоянии до цели, намного большем, чем ее размер, не дает необходимого уровня концентрации (и, следовательно, температуры) из-за естественного расхождения солнечных лучей. Такие принципиальные ограничения неизбежно возникают в любом месте относительно астероида одного или нескольких незатененных вперед отражающих коллекторов. Кроме того, в случае использования вторичных зеркал, подобных тем, которые используются в телескопах Кассегрена , будет иметь место тепловое повреждение частично сконцентрированным солнечным светом от главного зеркала.
Для снятия указанных ограничений В. П. Васильев предложил применить альтернативную конструкцию зеркального коллектора – кольцевой концентратор. [114] Такой тип коллектора имеет нижнее линзообразное расположение фокальной области, что исключает затенение коллектора целью и минимизирует риск его покрытия выброшенным мусором. При концентрации солнечного света примерно в 5 × 10 3 раз поверхностная освещенность около 4-5 МВт/м 2 приводит к эффекту тяги около 1000 Н (200 фунтов силы). Интенсивная абляция вращающейся поверхности астероида под фокальным пятном приведет к появлению глубокого «каньона», что может способствовать формированию истекающего газового потока в струйный. Этого может быть достаточно, чтобы отклонить астероид размером 0,5 км (0,3 мили) в течение нескольких месяцев и без дополнительного периода предупреждения, используя только кольцевой коллектор размером около половины диаметра астероида. Для такого быстрого отклонения более крупных околоземных объектов, от 1,3 до 2,2 км (от 0,8 до 1,4 миль), требуемые размеры коллектора сопоставимы с диаметром цели. В случае более длительного времени предупреждения требуемый размер коллектора может быть значительно уменьшен.
Массовый драйвер — это (автоматизированная) система на астероиде для выброса материала в космос, таким образом придавая объекту медленный равномерный толчок и уменьшая его массу. Массовый драйвер разработан для работы в качестве системы с очень низким удельным импульсом , которая в целом использует много топлива, но очень мало энергии. По сути, он использует астероид против самого себя, чтобы отвести столкновение.
Модульный узел выброса миссии отклонения астероида (MADMEN) — это идея посадки небольших беспилотных аппаратов, таких как космические вездеходы, для разрушения небольших частей астероида. При использовании буров для разрушения небольших камней и валунов с поверхности, обломки будут выбрасываться с поверхности очень быстро. Поскольку на астероид не действуют никакие силы, эти камни будут отталкивать астероид от курса с очень медленной скоростью. Этот процесс занимает время, но может быть очень эффективным, если реализован правильно. [115] Идея заключается в том, что при использовании местного материала в качестве топлива количество топлива не так важно, как количество энергии, которое, вероятно, будет ограничено.
Присоединение любого движителя космического корабля имело бы аналогичный эффект толчка, возможно, заставив астероид двигаться по траектории, которая уводит его от Земли. Космический ракетный двигатель, способный придать импульс 10 6 Н·с (например, добавив 1 км/с к 1000-килограммовому транспортному средству), окажет относительно небольшое воздействие на относительно небольшой астероид, масса которого примерно в миллион раз больше. В белой статье Чепмена, Дурды и Голда [116] рассчитываются отклонения с использованием существующих химических ракет, доставленных к астероиду.
Такие ракетные двигатели прямого действия обычно предлагаются для использования в качестве высокоэффективных электрических двигателей космических аппаратов , таких как ионные двигатели или VASIMR .
Подобно эффектам ядерного устройства, считается возможным сфокусировать достаточное количество лазерной энергии на поверхности астероида, чтобы вызвать мгновенное испарение / абляцию, чтобы создать либо импульс, либо удалить массу астероида. Эта концепция, называемая лазерной абляцией астероида , была сформулирована в 1995 году в документе SpaceCast 2020 [117] «Подготовка к планетарной обороне» [118] и в 1996 году в документе Air Force 2025 [119] «Планетарная оборона: катастрофическое медицинское страхование для планеты Земля» [120] Ранние публикации включают концепцию CR Phipps «ORION» от 1996 года, монографию полковника Джонатана У. Кэмпбелла 2000 года «Использование лазеров в космосе: лазерное удаление орбитального мусора и отклонение астероида» [121] и концепцию NASA 2005 года «Система защиты от астероидов комет» (CAPS). [122] Обычно такие системы требуют значительного количества энергии, которое можно получить, например, с помощью космического спутника солнечной энергии .
Другое предложение — это предложение DE-STAR Филиппа Любина [123] :
Карл Саган в своей книге Pale Blue Dot выразил обеспокоенность по поводу технологии отклонения, отметив, что любой метод, способный отклонить ударные тела от Земли, может также быть использован для отклонения не представляющих угрозы тел к планете. Учитывая историю геноцидных политических лидеров и возможность бюрократического сокрытия истинных целей любого такого проекта от большинства его научных участников, он оценил, что Земля подвергается большему риску от искусственного удара, чем от естественного. Саган вместо этого предложил разрабатывать технологию отклонения только в реальной чрезвычайной ситуации.
Все технологии отклонения низкоэнергетической доставки обладают встроенной возможностью точного управления и управления, что позволяет добавлять ровно столько энергии, сколько нужно для управления астероидом, изначально предназначенным для простого сближения с определенной целью на Земле.
По словам бывшего астронавта НАСА Расти Швайкарта , метод гравитационного тягача является спорным, поскольку в процессе изменения траектории астероида точка на Земле, в которую он, скорее всего, может попасть, будет медленно смещаться по разным странам. Таким образом, угроза для всей планеты будет минимизирована за счет безопасности некоторых конкретных государств. По мнению Швайкарта, выбор способа, которым астероид должен быть «перетащен», будет сложным дипломатическим решением. [132]
Анализ неопределенности, связанной с ядерным отклонением, показывает, что способность защищать планету не подразумевает способность целиться в планету. Ядерный взрыв, который изменяет скорость астероида на 10 метров в секунду (плюс-минус 20%), был бы достаточен, чтобы вытолкнуть его с орбиты столкновения с Землей. Однако, если неопределенность изменения скорости была бы больше нескольких процентов, не было бы никаких шансов направить астероид на конкретную цель.
Кроме того, существуют правовые проблемы, связанные с запуском ядерных технологий в космос. В 1992 году Организация Объединенных Наций приняла резолюцию, которая устанавливает строгие правила отправки ядерных технологий в космос, включая предотвращение загрязнения космоса, а также защиту всех граждан на Земле от возможных осадков. [133] По состоянию на 2022 год ООН все еще рассматривает вопросы безопасности и правовые вопросы запуска ядерных объектов в космос, особенно с учетом расширения сферы космических путешествий по мере того, как все больше частных организаций принимают участие в современной космической гонке. Комитет ООН по мирному использованию космического пространства недавно подчеркнул суть предыдущей резолюции, заявив, что государства-члены несут ответственность за обеспечение безопасности каждого в отношении ядерной энергетики в космосе. [134]
В этой статье использованы материалы из общественного достояния Линды Херридж. NASA, SpaceX Launch DART: First Planetary Defense Test Mission. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Получено 24 августа 2022 г.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Боеголовки взорвутся на расстоянии одной трети диаметра околоземного объекта, и рентгеновские и гамма-лучи, а также нейтроны каждого взрыва превратят часть поверхности околоземного объекта в расширяющуюся плазму, чтобы создать силу, отклоняющую астероид.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)Общий