Il veicolo spaziale DART è progettato per entrare in collisione con una roccia spaziale a 15.000 miglia all’ora per impedirle di avvicinarsi troppo alla Terra.
di David W. Brown
In una stanza tirata a lucido nell’edificio 23 presso il laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University (APL) a Laurel, nel Maryland, una sonda spaziale pensata per dimostrare gli effetti cinetici di un velivolo che impatta contro un asteroide giace divisa in due metà. Uno strumento chiamato star tracker, che stabilirà il posizionamento nello spazio, è stato montato sul nucleo, insieme a batterie e una varietà di altri sensori.
Il sistema avionico, il computer centrale di DART, è attaccato a pannelli quadrati lavorati con precisione che formeranno i lati, una volta che la navicella sarà ripiegata. Alcuni cavi collegano il computer al sistema radio che DART utilizzerà per comunicare con la Terra. Giroscopi e antenne sono ben visibili. In una stanza accanto, un sistema di propulsori sperimentale chiamato NEXT-C sta aspettando il suo turno.
Un orologio su uno dei computer dice: “Giorni mancanti al lancio di DART: 350: 08: 33”.
DART, il Double Asteroid Redirection Test, dovrà scontrarsi con un asteroide chiamato Dimorphos. L’impatto cambierà la velocità di Dimorphos di circa un millimetro al secondo, o un cinquecentesimo di miglio all’ora. Anche se l’asteroide non sta per entrare in collisione con la Terra, DART ha lo scopo di verificare la capacità di deviare un asteroide come quello che è diretto verso di noi, se mai ce ne sarà necessità.
Da quando una sonda sovietica chiamata Luna 1 è diventata la prima navicella spaziale a uscire dall’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).
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 sono stati scoperti dal 1998, quando il Congresso ha concesso alla NASA 10 anni per identificare ogni oggetto vicino alla Terra con almeno un chilometro di diametro. Grazie alle analisi statistiche, gli astronomi ritengono di aver trovato circa il 95 per cento dei grandi asteroidi vicini alla Terra, che potrebbero distruggerebbe la nostra civiltà se colpissero il pianeta.
La Terra si sposta della distanza del suo diametro ogni sette minuti. Se l’orario di un oggetto in arrivo viene modificato di più di 10 minuti circa, la collisione verrà evitata (i dettagli, ovviamente, dipendono dalla particolare traiettoria; i tre minuti extra tengono conto dell’effetto dell’attrazione gravitazionale della Terra).
Didymos è largo circa 800 metri. Dimorphos ha un diametro di circa 150 metri, circa le dimensioni di un piccolo stadio sportivo. Nessuno sa ancora che aspetto abbia, perché è troppo piccolo e lontano per osservazioni dettagliate da telescopi sulla Terra o vicino a essa. I due asteroidi sono distanti circa mezzo miglio; Dimorphos orbita attorno all’asteroide più grande a una velocità inferiore a quella del passo di una persona.
Nel 2005, il Congresso ha dato alla NASA nuovi disposizioni per catalogare tutti gli oggetti vicini alla Terra di diametro superiore a 140 metri, il cui impatto sarebbe catastrofico. Questo lavoro è ancora in corso e nel 2016 la NASA ha istituito il Planetary Defense Coordination Office per mantenere i contatti tra la miriade di agenzie americane e internazionali che sarebbero mobilitate se si scoprisse un oggetto distruttivo in arrivo verso di noi. DART è la prima missione del gruppo.
Una collisione progettata a tavolino
“Gli obiettivi di DART sono duplici: dimostrare che un veicolo spaziale può colpire con successo un asteroide e misurare gli effetti della collisione”, spiega Lindley Johnson, responsabile dell’ufficio. Le proposte precedenti prevedevano l’utilizzo di due veicoli: uno per 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 viaggia a 30 chilometri al secondo, la variazione di velocità di un millimetro al secondo causata da una collisione sarebbe molto difficile da misurare usando telescopi con sede terrestre o vicina. Ma i costi erano troppo alti: fino a 1 miliardo di dollari.
Poi, all’inizio del 2011, Andy Cheng, il capo scienziato che si occupa di difesa planetaria presso l’Applied Physics Laboratory, ha avuto un’epifania. Invece di inviare due veicoli spaziali, ne avrebbe mandato uno a collidere contro un piccolo asteroide in orbita attorno a uno più grande. Gli astronomi avrebbero quindi potuto sfruttare l’accorgimento per misurare gli effetti dell’urto.
Questa missione più semplice sarebbe costata “solo” circa 250 milioni di dollari. Il cambiamento è stato fondamentale per convincere la NASA ad approvare DART. Alla fine l’Agenzia Spaziale Italiana ha contribuito con un nano satellite delle dimensioni di una scatola da scarpe chiamato LICIACube che verrà imbarcato da DART e aiuterà a svolgere le osservazioni senza aumentare notevolmente il costo.
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 è stato 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. Utilizzando telescopi terrestri, “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 ricorda un orologio”, afferma Tom Statler, scienziato del programma della missione DART presso la sede della NASA. “Ogni 12 ore, gira e rigira, sempre nello stesso modo. Quello che stiamo facendo con DART è modificare l’orologio”. Tutto ciò che gli astronomi devono fare è misurare la velocità con cui l’orologio si muove prima dell’impatto e quindi misurare il suo movimento subito dopo. L’obiettivo è che il periodo orbitale cambi di circa 10 minuti, o leggermente più dell’1 per cento.
Queste sono informazioni sufficienti per consentire loro di stimare la cifra a cui tengono di più: qualcosa chiamato efficienza di trasferimento della quantità di moto, indicata dalla lettera greca β. Come suggerisce il nome, è una misura di quanto slancio della navicella spaziale viene trasferito all’asteroide. Più grande è β, più efficace sarà stato DART nel cambiare la rotta di Dimorphos.
Accertare β è importante perché per proteggersi dagli impatti degli asteroidi, dobbiamo essere in grado di prevedere di quanto il corpo celeste si sposterà quando un veicolo spaziale lo colpisce. Come hanno scritto Cheng e coautori in un documento del 2020: “La determinazione di β dalle misurazioni e dai modelli DART è un obiettivo fondamentale della scienza della difesa planetaria”.
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. Quel numero, combinato con un’ipotesi plausibile della densità dell’asteroide, fornisce loro una stima della sua massa e insieme alle osservazioni del cambiamento nel periodo orbitale, consente loro di stimare β.
Niente di tutto questo, tuttavia, dirà agli astronomi perché β ha preso 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. “Ci aspettiamo che questi fattori dipendano dalla topografia del punto in cui DART impatta”, afferma Andy Rivkin, che guida il team scientifico di DART con Cheng.
In altre parole: il veicolo spaziale colpirà una collina o un terreno pianeggiante? Ci saranno massi? In quale direzione si muoverà la massa espulsa e quanto velocemente? Il materiale in uscita che vola in una direzione dà all’asteroide un contraccolpo 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 modelli, consentendo di calcolare meglio come deviare un futuro asteroide diretto verso la Terra.
Come si è arrivati a DART
Costruire un veicolo spaziale significa testarlo. Raggiungere lo spazio è costoso; bersagliare un asteroide lontano ancora di più. Non ci si possono permettere errori. In un giorno di agosto, quando ho visitato l’APL, Rosanna Smith, il capo del test di propulsione di DART, sedeva nella sala di controllo a supervisionare i test dei propulsori di idrazina del veicolo spaziale. Ogni componente era già stato testato, molte volte, singolarmente.
Ora venivano nuovamente testati, come parti di un tutto. DART è stato collegato ai computer del banco di prova che gli hanno fornito dati, facendo sì che quei componenti si comportassero come se fossero nello spazio. I propulsori non erano accesi, ma l’avionica del veicolo spaziale ha risposto come se lo fossero. Nel caso di un’anomalia, ha spiegato Smith, gli ingegneri si sarebbero fermati per fare un controllo della sonda, collegando un oscilloscopio alla navicella spaziale e vedendo cosa stava succedendo.
L’obiettivo era ottenere dati sulle prestazioni di base di DART. Nelle settimane a venire, gli ingegneri avrebbero sottoposto la navicella a test di vibrazione, scuotendola violentemente, per simulare le sollecitazioni fisiche del lancio e delle manovre di volo. Era anche previsto di mettere il veicolo spaziale in una camera a vuoto termico per simulare lo spazio, facendolo scorrere attraverso cicli caldi e freddi. Dopo ogni attività, sarebbero stati eseguiti nuovamente i test giornalieri, confrontando i risultati con gli standard prestabiliti per registrare eventuali cambiamenti.
Di solito ci dovrebbe essere una decina di persone nella sala in cui si eseguono i test. Ma, come molte altre cose, le procedure di assemblaggio di DART sono cambiate in risposta alla pandemia. APL ha installato telecamere in tutta la struttura. Chi lavora da casa può chiamare per vedere cosa sta succedendo. Le loro voci uscivano dalle casse acustiche e gli ingegneri nella stanza rispondevano casualmente, come se parlassero a dei fantasmi.
Il viaggio dalla Terra a Didymos dura 14 mesi. DART verrà lanciato su un razzo Falcon 9 dalla base aerea di Vandenberg, sulla costa della California, 130 miglia a nord-ovest di Los Angeles. La navicella decollerà verso Sud e farà il giro del Sole una volta prima di incontrare gli asteroidi poche settimane dopo il loro passaggio più vicino alla Terra, quando Didymos e Dimorphos saranno a circa 6,8 milioni di miglia di distanza, circa 30 volte più lontani della Luna. La traiettoria è stata progettata per ridurre al minimo l’energia richiesta per lanciare DART e per calcolare il tempo dell’impatto per un approccio ravvicinato in modo che i telescopi terrestri possano avere la migliore visione della collisione.
Ma il presupposto è che DART trovi Didymos. Trenta giorni prima dell’impatto, il veicolo spaziale inizierà a raccogliere immagini di navigazione ottica mentre si avvicina agli asteroidi gemelli a quasi 24.000 km all’ora. Gli astronomi non conoscono le orbite degli asteroidi con la precisione necessaria per un impatto pre-programmato e non saranno in grado di farlo neanche quando il sistema di bordo chiamato SMART Nav prende il sopravvento. Il piano della missione prevede che DART entri in contatto con l’asteroide a non più di 15 metri dall’obiettivo pianificato, ma a quel punto l’incertezza sull’orbita di Didymos sarà ancora di qualche chilometro, e per Dimorphos molto più piccolo, sarà ancora più grande.
Quattro ore dopo, “verrà acceso SMART Nav, che inizierà a cercare il bersaglio, vale a dire Dimorphos”, dice Elena Adams, ingegnere capo della missione DART. C’è radiazione nello spazio e rumore nel rilevatore, quindi gli algoritmi confrontano i pixel nel campo visivo. Un’ora prima dell’impatto, il software dovrebbe individuare Dimorphos. “Dopo aver messo a fuoco il pixel che vuole, passa dal puntare l’asteroide principale alla sua luna”, ella spiega.
Anche se gli astronomi conoscessero la posizione di Dimorphos con precisione assoluta, DART non potrebbe essere pre-programmato 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 in modo autonomo. Inoltre, DART utilizzerà i suoi propulsori per rimanere puntato nella giusta direzione, modificando la sua traiettoria di diversi metri.
Il sistema Small-Body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation (SMART Nav)
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 della navicella puntati verso il Sole e l’antenna ad alto guadagno puntata verso la Terra, inviando immagini di Didymos e Dimorphos circa ogni due secondi. Mentre la navicella si avvicina all’asteroide, i propulsori a idrazina saranno costantemente attivati per mantenere il bersaglio entro il campo visivo ristretto della telecamera.
SMART Nav interromperà l’esecuzione delle manovre circa due minuti prima dell’impatto e il veicolo spaziale scivolerà nell’asteroide. “La risoluzione richiesta del sito dell’impatto sarà raggiunta circa 20 secondi prima dell’impatto e l’ultima immagine sarà inviata alla Terra negli ultimi sette secondi prima dell’impatto”, afferma Adams.
Impattori 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. In questo modo viene rilasciata molta più energia per allontanare l’asteroide, ma rischia di frammentarlo in molti proiettili più piccoli con traiettorie imprevedibili che potrebbero colpire la Terra.
Altre opzioni includono i rimorchiatori, che si accoppiano con un asteroide e lo spingono fuori rotta con una spinta lenta e costante, o “trattori a gravità”, veicoli spaziali che volerebbero vicino a un asteroide e, nell’arco di anni o addirittura decenni, lo spostano lentamente dalla sua rotta di collisione con la forza della loro stessa gravità.
Entrambe queste alternative sono comunque tecnicamente più complesse di un dispositivo di simulazione cinetico. Ma DART sta anche testando tecnologie che potrebbero essere applicate ai successivi veicoli spaziali. Per esempio, permetterà di sperimentare il nuovo propulsore ionico, NEXT-C. In realtà, il propulsore non è necessario per la missione di DART, che si baserà principalmente sui razzi chimici convenzionali. Ma i propulsori ionici, che utilizzano l’elettricità per generare quantità di moto, sono molto più efficienti delle loro controparti chimiche.
Con poche centinaia di kg di propellente si può realizzare ciò che richiederebbe decine di migliaia di kg 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 impiegati in queste missioni.
Per generare l’elettricità necessaria per alimentare NEXT-C, DART utilizzerà anche un nuovo array solare srotolabile più leggero dei tradizionali pannelli solari pieghevoli. Dando agli aspiranti difensori planetari più traiettorie tra cui scegliere, i sofisticati sistemi di propulsione consentirebbero agli impattatori di colpire gli asteroidi in arrivo a velocità più elevate.
Prima si riesce a rilevare un asteroide, o un altro oggetto, come una cometa, diretto verso la Terra, più facile sarà fare qualcosa al riguardo. Quasi tutti gli asteroidi che potrebbero rappresentare una minaccia di estinzione per la vita sulla Terra sono già stati trovati. Queste sono rocce enormi di parecchi km di diametro e nessuna di quelle conosciute minacceranno l’umanità in un futuro a breve termine (si pensa che l’impatto di Chicxulub che ha portato all’estinzione dei dinosauri abbia coinvolto un oggetto dell’ordine di 15 km di diametro).
Ma gli astronomi non hanno trovato tutti gli asteroidi più piccoli, ma comunque pericolosi, come la meteora che è 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 scoppio ha rotto finestre per oltre 300 km2 in pieno inverno in un’area altamente popolata.
“Quarant’anni fa, non sapevamo se saremmo stati spazzati via da un gigantesco asteroide assassino. Ora sì”, afferma Statler, scienziato del programma DART. Ma gli oggetti più piccoli di 150 metri, circa le dimensioni di Dimorphos, sono difficili da individuare per gli attuali osservatori, sia terrestri che satellitari (un asteroide del diametro di 150 metri avrebbe un impatto simile alla più grande bomba atomica della storia).
In questo momento, afferma Statler, è stato forse identificato un quarto del numero totale di piccoli oggetti potenzialmente pericolosi. “Se non sappiamo dove si trovano”, dice, “non abbiamo la capacità di prevedere quando potrebbe verificarsi un impatto e quando potremmo dover eseguire una deviazione”.
Altri progetti futuri
La missione Near-Earth Object Surveillance dal costo di mezzo miliardo di dollari, un telescopio a infrarossi orbitale finanziato dal Planetary Defense Coordination Office, verrà lanciata entro la fine di questo decennio e dovrebbe aiutare a risolvere il problema. Poiché osserva nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso, avrà una maggiore capacità rispetto ai telescopi a luce visibile di guardare verso il Sole. Sarà anche in grado di rilevare oggetti immersi nella 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. Prima viene trovato un oggetto in arrivo, meno potente deve essere un dispositivo di simulazione progettato dall’uomo per svolgere il lavoro.
LICIACube si separerà da un compartimento in cima a DART 10 giorni prima dell’impatto e dispiegherà i suoi piccoli pannelli solari. Mentre il cubo piccolo riprenderà le immagini, DART colpirà Dimorphos. La navicella sarà probabilmente frantumata in pezzi molto piccoli, alcuni trasformati in polvere. La maggior parte dei suoi resti verrà nuovamente espulsa quando il cratere si sarà formato. È possibile che parti strutturali possano resistere, anche se saranno sepolte fino a 3 metri di profondità nell’asteroide.
LICIACube osserverà il pennacchio di materiali espulsi in uscita e fotograferà anche il lato più lontano di Dimorphos mentre passa. Ma non avrà modo di rallentare: LICIACube continuerà a superare Dimorphos nelle profondità dello spazio. L’Agenzia spaziale europea sta pianificando anche 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 il β con una precisione ancora maggiore.
Hera trasporterà due cubesat e viaggerà intorno al sistema Didymos-Dimorphos per un periodo da tre a sei mesi, raccogliendo molti più dati. Se tutto va bene, DART lascerà la Terra alla fine di luglio 2021 e il 30 settembre 2022 cesserà di esistere.
(rp)
