Zbliżone zdjęcia katastrofy asteroidy DART ujawniają złożone szczątki

W 2022 r. prowadzony przez NASA test przekierowania podwójnej asteroidy (DART) zderzył się z asteroidą Demorphos w ramach udanego testu technologii obrony planetarnej. Miarą tego sukcesu było znaczące przesunięcie orbity Dimorphos wokół większej asteroidy Didymos. Od tego czasu różne obserwatoria analizowały dane, próbując zebrać w całość to, co pozostałości po uderzeniu mówią nam o strukturze asteroidy.

Wszystkie te obserwacje miały miejsce w dużych odległościach od uderzenia. Jednak DART zabrał podczas lotu małego CubeSata o nazwie LICIACube i upuścił go na późniejszą trajektorię na kilka tygodni przed uderzeniem. Zwrócenie wszystkich zdjęć LICIACube na Ziemię i ich analiza zabrały trochę czasu, ale wyniki są już dostępne i dostarczają wskazówek na temat powstawania i historii Dimorphos, a także tego, dlaczego uderzenie miało tak duży wpływ na jej orbitę.

Śledzenie śmieci

LICIACube posiadał kamery o wąskim i szerokim polu widzenia (zwane LEIA i LUKE pod niektórymi starannie wybranymi nazwami). Śledził DART w strefie uderzenia przez około trzy minuty i robił zdjęcia, zaczynając od około minuty przed uderzeniem i kontynuując przez ponad pięć minut później.

Pokazały one, że w wyniku uderzenia powstało złożone pole szczątków. Zamiast prostego stożka materii były tam sznury i skupiska pocisków, wszystkie poruszające się z różnymi prędkościami. W jednym artykule opublikowanym dzisiaj w Nature podjęto próbę sklasyfikowania wielu z nich. Na przykład identyfikuje pojedynczy strumień wyrzuconego materiału, który pojawia się na pierwszych obrazach po uderzeniu i można go śledzić aż do zatrzymania obrazowania. W tym momencie rozciągał się na ponad osiem kilometrów od miejsca uderzenia. Oznacza to, że prędkość wynosi około 50 metrów na sekundę.

Osobno widoczna była masa materiału, która była widoczna przez około półtorej minuty i poruszała się z prędkością około 75 metrów na sekundę; Druga grupa poruszała się w mniej więcej połowie tego tempa.

Najszybciej poruszający się materiał, jaki udało im się wyśledzić, został wyrzucony z prędkością 500 metrów na sekundę, czyli około 1800 kilometrów na godzinę (1100 mil na godzinę). Pomaga to określić wartość LICIACube, ponieważ najlepsze obserwacje na odległość zostały wykonane przez Hubble'a, który wykrył jedynie obiekty poruszające się z połową prędkości.

Co ciekawe, wyrzucony materiał początkowo wydaje się czerwony, ale z biegiem czasu stopniowo zmienia kolor na niebieski. Naukowcy sugerują, że może to oznaczać, że powierzchnia asteroidy zaczerwieniła się w wyniku narażenia na promieniowanie i że pierwsza materia, która wyłoniła się w wyniku zderzenia, pochodziła z powierzchni. Później, gdy z wnętrza napłynęło więcej materiału, zaczerwienienie zmniejszyło się.

Pod koniec ubiegłego roku opublikowano oddzielny artykuł poświęcony wymiarom stożka gruzu. Korzystając z tych elementów, pracowaliśmy wstecz, aby ocenić, gdzie stożek dotarł do powierzchni dimorphos. Na tej podstawie uczestniczący w badaniu badacze oszacowali, że materiał pochodzi z krateru o średnicy około 65 metrów.

Słabe wnętrze

Śledzenie wszystkich skomplikowanych śmieci jest ważne po części dlatego, że odegrało rolę w skuteczności DART. Wiemy dokładnie, jaki pęd miała sonda DART podczas zderzenia i możemy porównać to z szacunkami wielkości potrzebnej do zmiany orbity Dimorphos. Na podstawie szacunków wielkości zmiany orbity, a także początkowej masy dimorphos, jest bardzo jasne, że pęd DART nie może wyjaśnić wszystkich zmian. Dlatego znaczna ilość wymiany pędu miała miejsce, gdy szczątki powstałe w wyniku zderzenia zabrały pęd z Dimorphos.

W dodatkowym artykule wykorzystano dane LICIACube dotyczące wyrzuconej materii i wykorzystano je do próby oszacowania wewnętrznych właściwości dimorphos. Model fizyki uderzeń wykorzystano do przetestowania różnych składów wewnętrznych asteroidy, które różnią się w zależności od ich gęstości, ilości litej skały w porównaniu z materiałem sypkim oraz innych właściwości. Najlepsze wyniki uzyskano w przypadku porowatego ciała o stosunkowo małej gęstości, które nie miało zbyt wielu dużych skał w pobliżu powierzchni.

Biorąc pod uwagę tę strukturę, badacze doszli do wniosku, że DART prawdopodobnie spowodował globalne zakłócenia w docelowej strukturze.

Słaba i fragmentaryczna struktura Dimorphos wygląda podobnie do tych, które widzieliśmy podczas naszych wizyt na tak zwanych „asteroidach stert gruzu”, takich jak Bennu i Ryugu. Zadziwiające jest to, że ma znacznie słabszą konstrukcję niż jego większy sąsiad, Didymos. Jest to jednak zgodne z modelami wyjaśniającymi powstawanie dimorfów. Teoria ta zakłada, że ​​Didymos wyrzucił materię, której część pozostała związana grawitacją i wylądowała na orbicie.

Jednym ze sposobów, w jaki może do tego dojść, jest uderzenie, ale oczekuje się, że będzie ono wystarczająco silne, aby wyzwolić szeroką gamę materiału z Didymosa. Alternatywą jest jednak to, że ogrzewanie słoneczne mogłoby zwiększyć rotację Didymosa do momentu, gdy nie będzie miał wystarczającej grawitacji, aby utrzymać całą swoją materię. W tym przypadku lżejszy materiał prawdopodobnie zostałby najpierw zrzucony z powierzchni, być może ze względu na stosunkowo małą objętość materiału w dymorfosie.

Dobra wiadomość jest taka, że ​​w ciągu kilku lat powinniśmy uzyskać lepszy obraz systemu powstałego po katastrofie. Pod koniec 2024 roku Europejska Agencja Kosmiczna planuje wystrzelenie sondy o nazwie Hera, która wejdzie na orbitę wokół układu Didymos/Demorphos i dostarczy szczegółowych danych na temat skutków zderzenia.

Journal of Planetary Science, 2023. DOI: 10.3847/PSJ/ad09ba (O identyfikatorach cyfrowych).

Przyroda, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06998-2

Astronomia Naturalna, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02200-3