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Esta nave espacial se está preparando para una misión unidireccional para desviar un asteroide.
NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
En una sala limpia en el Edificio 23 del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland, una nave espacial llamada DART se abrió como un huevo cúbico fracturado. Un instrumento llamado rastreador de estrellas, que, una vez que DART esté en el espacio profundo, determinará en qué dirección está arriba, se montó en el núcleo, junto con baterías y una variedad de otros sensores. El sistema de aviónica, la computadora central de DART, se unió de manera prominente a paneles cuadrados mecanizados con precisión que formarán los lados, una vez que la nave espacial esté plegada. Los cables iban desde la computadora hasta el sistema de radio que DART usará para comunicarse con la Tierra. Los giroscopios y las antenas quedaron expuestos. En una habitación de al lado, un sistema de propulsión experimental llamado NEXT-C esperaba su turno. Grandes manojos de gruesos zarcillos envueltos en aislamiento de plata colgaban de la nave espacial y corrían por el suelo hasta la sala de control, donde se conectaban a una batería imponente de computadoras de prueba operadas por cuatro ingenieros.
Un reloj sobre una de las computadoras decía, Días para el lanzamiento de DART: 350:08:33.
Esta historia fue parte de nuestra edición de noviembre de 2020
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DART, la prueba de redirección de doble asteroide, está diseñada para estrellarse contra un asteroide llamado Dimorphos. El impacto cambiará la velocidad de Dimorphos en aproximadamente un milímetro por segundo, o una centésima de milla por hora. Aunque Dimorphos no está a punto de chocar con la Tierra, DART pretende demostrar la capacidad de desviar un asteroide como este. es se dirigió hacia nosotros, en caso de que alguna vez se descubra uno.
Desde que una sonda soviética llamada Luna 1 se convirtió en la primera nave espacial en escapar de la órbita terrestre el 2 de enero de 1959, la humanidad ha enviado unas 250 sondas al sistema solar. DART es único entre ellos. Es el primero que se propone no estudiar el sistema solar, sino cambiarlo.
Para 1980, los astrónomos habían determinado las órbitas de unos 10.000 asteroides, incluidos 51 asteroides cercanos a la Tierra (junto con 44 cometas cercanos a la Tierra). Hoy, los números se han disparado: el Minor Planet Center realiza un seguimiento de unos 800.000 asteroides en total, de los cuales casi 24.000 tienen órbitas que los acercan a la Tierra. La gran mayoría de estos se han descubierto desde 1998, cuando el Congreso le dio a la NASA 10 años para identificar cada objeto cercano a la Tierra de más de un kilómetro (0,6 millas) de diámetro. Gracias a los análisis estadísticos, los astrónomos creen que han encontrado alrededor del 95% de los grandes asteroides cercanos a la Tierra, del tipo que destruiría la civilización si golpearan nuestro planeta.
El reloj de cuenta regresiva de lanzamiento en APL.
NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMANLa Tierra se mueve la distancia de su diámetro cada siete minutos. Si la hora de llegada de un objeto entrante se puede cambiar en más de 10 minutos, nos perderá. (Los detalles, por supuesto, dependen de la trayectoria particular; los tres minutos adicionales son para tener en cuenta el efecto de la atracción gravitatoria de la Tierra).
Didymos tiene aproximadamente media milla de ancho. Dimorphos tiene unos 500 pies de diámetro, aproximadamente del tamaño de un pequeño estadio deportivo. Nadie sabe aún cómo se ve, porque es demasiado pequeño y está demasiado lejos para realizar observaciones detalladas con telescopios en la Tierra o cerca de ella. Los dos asteroides están a una media milla de distancia; Dimorphos orbita el asteroide más grande a una velocidad más lenta que la caminata de una persona.
En 2005, el Congreso dio nuevas órdenes a la NASA para catalogar todos los objetos cercanos a la Tierra de más de 140 metros (460 pies) de diámetro, objetos cuyo impacto sería catastrófico en lugar de apocalíptico. Ese trabajo sigue en curso, y en 2016, la NASA estableció la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria para coordinar la miríada de agencias estadounidenses e internacionales que se movilizarían si se descubriera un objeto destructivo en nuestro camino. DART es la primera misión del grupo.
No tenemos que ser víctimas del cosmos, dice Lindley Johnson, quien dirige la oficina. Si nos enfrentamos a esa situación, no queremos que el primer uso en el mundo real de la desviación de asteroides sea algo que deba tener éxito. Los objetivos de DART son dos: demostrar que una nave espacial puede chocar con éxito contra un asteroide y medir los efectos de la colisión.
Las propuestas anteriores contemplaban el uso de dos vehículos: uno para hacer la colisión y otro, enviado con anticipación, para observar la colisión y medir sus efectos. Parecía la única opción porque con un asteroide viajando a 30 kilómetros por segundo, el cambio de milímetro por segundo en la velocidad causado por una colisión sería muy difícil de medir usando telescopios basados en la Tierra o cerca de ella. Pero esto fue caro: hasta $ 1 mil millones.
Entonces, a principios de 2011, Andy Cheng, el científico jefe que estudiaba la defensa planetaria en el Laboratorio de Física Aplicada, tuvo una epifanía. En lugar de enviar dos naves espaciales, su plan enviaría una sola nave para estrellarse contra un pequeño asteroide que orbita alrededor de uno más grande. Entonces, los astrónomos podrían usar un ingenioso truco para medir la fuerza del golpe.
Cada 12 horas, da vueltas y vueltas, siempre lo mismo. Lo que estamos haciendo con DART es golpear el reloj.'
Esta misión más simple costaría solo alrededor de $ 250 millones, una ganga relativa. El cambio fue crucial para lograr que la NASA aprobara DART. Al final, la Agencia Espacial Italiana contribuyó con una nave espacial del tamaño de una caja de zapatos llamada LICIACube para aprovechar DART, que ayudará con las observaciones sin aumentar mucho el costo.
El objetivo de Cheng, Dimorphos, fue descubierto en 2003 orbitando un asteroide más grande. Después del descubrimiento, el cuerpo más grande recibió el nombre de Didymos, la palabra griega para gemelo. Su luna recibió su nombre en 2020. Visto desde la Tierra, su órbita a veces pasa por delante y por detrás de Didymos, bloqueando en parte al asteroide más grande en cada revolución. Usando telescopios terrestres, puedes hacer una medición muy precisa de la órbita mirando las caídas de luz, dice Cheng. Se utiliza una técnica similar para identificar exoplanetas que orbitan estrellas distantes.
La órbita de Dimorphos alrededor de Didymos es como un reloj, dice Tom Statler, científico del programa de la misión DART en la sede de la NASA. Cada 12 horas, da vueltas y vueltas, siempre lo mismo. Lo que estamos haciendo con DART es golpear el reloj. Todo lo que los astrónomos tienen que hacer es medir qué tan rápido avanza el reloj antes del impacto y luego volver a medirlo. Esperan que el período orbital cambie en unos 10 minutos, o un poco más del 1%.
Esta es suficiente información para permitirles estimar la cifra que más les interesa: algo llamado eficiencia de transferencia de impulso, al que normalmente se hace referencia con la letra griega β. Como su nombre lo indica, es una medida de la cantidad de impulso de la nave espacial que se transfiere al asteroide (en lugar de, por ejemplo, derribar fragmentos de roca). Cuanto mayor sea β, más efectivo habrá sido DART para cambiar el rumbo de Dimorphos.
Determinar β es importante porque para protegernos contra los impactos de asteroides, debemos poder predecir cuánto se moverá uno cuando una nave espacial lo golpee. Como Cheng y sus coautores escribieron en un artículo de 2020, la determinación de β a partir de las mediciones y el modelado de DART es un objetivo científico de defensa planetaria de importancia crítica.
Algunas suposiciones entrarán en el cálculo de β del equipo de DART. En términos generales, estimarán el tamaño de Dimorphos analizando las imágenes que tomarán DART y LICIACube. Ese número, combinado con una conjetura informada sobre la densidad del asteroide, les da una estimación de su masa. Ese número, combinado con las observaciones del cambio en el período orbital, les permite estimar β. (Hay, sí, mucha estimación involucrada).
La prueba de redirección de doble asteroide (DART) de la NASA será la primera misión espacial diseñada para probar la tecnología de defensa planetaria. DART alterará la velocidad de Dimorphos lo suficiente como para ser medido por telescopios terrestres. (Ilustración no a escala.)
NASA/JOHNS HOPKINS APLSin embargo, nada de esto les dirá a los astrónomos por qué β tomó ese valor particular para la colisión DART-Dimorphos. Los asteroides son diversos en tamaño y composición. No se sabe mucho sobre su estructura interna. Nadie sabe con certeza si DART creará un cráter grande o uno pequeño. Esperamos que esos factores dependan de la topografía donde golpea DART, dice Andy Rivkin, quien dirige el equipo científico de DART con Cheng.
En otras palabras: ¿la nave espacial golpeará una ladera o un terreno plano? ¿Habrá rocas? ¿Roca dura o blanda? ¿Grava? ¿Suciedad? Y como resultado, ¿cuánta eyección creará DART? ¿En qué dirección irá esa eyección y qué tan rápido? La eyección que sale volando en una dirección le da al asteroide una patada en la dirección opuesta, por lo que la respuesta afecta el valor final de β.
El equipo planea comparar los datos que recopila DART con simulaciones por computadora de impactos similares. Esto les permitirá mejorar sus modelos, permitiéndoles calcular mejor qué tipo de proyectil se necesitaría para desviar un futuro asteroide que se dirige a la Tierra.
Construir una nave espacial es probar una nave espacial. Llegar al espacio es caro; apuntar a un asteroide distante aún más. Las cosas tienen que funcionar a la primera.
En un día de agosto cuando visité APL, Rosanna Smith, líder de pruebas de propulsión de DART, estaba sentada en la sala de control supervisando las pruebas de los propulsores de hidracina de la nave espacial. Cada componente ya había sido probado, muchas veces, individualmente. Ahora estaban siendo probados de nuevo, como partes de un todo. DART se conectó a computadoras de banco de pruebas que lo alimentaron con datos, haciendo que esos componentes se comportaran como si estuvieran en el espacio. Los propulsores no estaban disparando, pero la aviónica de la nave espacial respondió como si lo hubieran hecho. Si se detectaba una anomalía, explicó Smith, los ingenieros se detendrían para evaluar la sonda. Podrían vestirse y entrar en la sala limpia, conectar un osciloscopio a la nave espacial y ver qué estaba pasando.
El objetivo era obtener datos sobre el rendimiento de referencia de DART. En las próximas semanas, los ingenieros planeaban someter la nave espacial a pruebas de vibración: sacudirla violentamente, aproximarse físicamente a las tensiones de las maniobras de lanzamiento y vuelo, para ver qué se rompía, si es que algo. Planearon poner la nave espacial en una cámara de vacío térmico para simular el espacio, haciéndola pasar por ciclos de frío y calor. Después de cada actividad, volverían a realizar las pruebas del día, comparando los resultados con la línea de base para ver qué cambió y qué no.
Normalmente puede haber una docena de personas en la sala realizando pruebas. Pero, como muchas otras cosas, los procedimientos de ensamblaje de DART han cambiado en respuesta a la pandemia. APL ha instalado cámaras en todas las instalaciones. Aquellos que trabajan desde casa pueden marcar para ver qué está sucediendo. Sus voces surgieron de los altavoces superiores y los ingenieros de la sala respondieron con indiferencia, como si hablaran con fantasmas.
El viaje de la Tierra a Didymos dura 14 meses. DART se lanzará en un cohete Falcon 9 desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en la costa de California, 130 millas al noroeste de Los Ángeles. La nave espacial despegará hacia el sur y rodeará el sol una vez antes de encontrarse con los asteroides unas semanas después de su máximo acercamiento a la Tierra, cuando Didymos y Dimorphos estarán a unos 6,8 millones de millas de distancia, unas 30 veces más lejos que la luna. La trayectoria fue diseñada para minimizar la energía requerida para lanzar DART y para cronometrar el impacto para un acercamiento cercano para que los telescopios terrestres puedan obtener la mejor vista posible de la colisión.
Pero primero, DART tiene que encontrar a Didymos. Treinta días antes del impacto, la nave espacial comenzará a recolectar imágenes de navegación óptica mientras se acerca a los asteroides gemelos a casi 15,000 millas por hora. Los astrónomos no conocen las órbitas de los asteroides con la precisión necesaria para un impacto preprogramado, y aún no lo sabrán cuando un sistema a bordo llamado SMART Nav se haga cargo. El plan de la misión requiere que DART golpee a no más de 50 pies del punto objetivo planificado, pero para entonces la incertidumbre sobre la órbita de Didymos seguirá siendo de miles de pies, y para Dimorphos, que es mucho más pequeño, será aún mayor.
Cuatro horas después, encendemos SMART Nav, e identifica a Didymos y comienza a buscar a Dimorphos, que estamos tratando de alcanzar, dice Elena Adams, la ingeniera jefe de la misión DART. Hay radiación en el espacio y ruido en el detector, por lo que los algoritmos comparan píxeles en su campo de visión. Una hora antes del impacto, el software debería identificar a Dimorphos. Después de que descubre el píxel que quiere, y que está en la ubicación correcta, y que tiene sentido, es cuando cambia de apuntar al asteroide principal a apuntar a su luna, agrega.
Incluso si los astrónomos supieran la posición de Dimorphos con total precisión, DART no podría programarse previamente para ejecutar la maniobra requerida con suficiente precisión para alcanzarlo. Ningún propulsor está perfectamente alineado y el rendimiento de ningún propulsor está perfectamente modelado. Para cada maniobra, una nave espacial necesita maniobras de corrección de seguimiento para tener en cuenta las desviaciones. SMART Nav lo hace de forma autónoma. Además, DART utilizará sus propulsores para mantenerse apuntando en la dirección correcta; esto cambiará su trayectoria por varios pies. Todas estas desviaciones serán evaluadas y corregidas continuamente por SMART Nav en las últimas horas antes del impacto. Para las maniobras típicas de naves espaciales ejecutadas por humanos, en comparación, generalmente toma horas o días calcularlas y ejecutarlas, y luego evaluar el rendimiento para diseñar una corrección. Mientras realiza ajustes de trayectoria, SMART Nav mantiene los paneles solares de la nave espacial apuntando al sol y la antena de alta ganancia apuntando a la Tierra, enviando imágenes de Didymos y Dimorphos aproximadamente cada dos segundos. A medida que la nave espacial se acerca al asteroide, los propulsores de hidracina se dispararán con frecuencia para mantener el objetivo dentro del estrecho campo de visión de su cámara.
SMART Nav dejará de ejecutar maniobras unos dos minutos antes del impacto y la nave espacial se deslizará hacia el asteroide. Logramos la resolución requerida del lugar del impacto unos 20 segundos antes del impacto y enviamos la última imagen a la Tierra dentro de los últimos siete segundos del impacto, dice Adams. Y luego, ¡boom!
Los impactadores cinéticos como DART no son la única forma de desviar un asteroide entrante. La NASA ha contemplado detonar una bomba nuclear cerca de un asteroide para desviarlo. Esto libera mucha más energía para alejar el asteroide, pero corre el riesgo de fragmentarlo en muchos proyectiles más pequeños con trayectorias impredecibles; algunos aún podrían golpear la Tierra. Otras opciones incluyen remolcadores, que se unirían a un asteroide y lo desviarían de su curso con un empuje lento y constante, o tractores de gravedad, naves espaciales que volarían cerca de un asteroide y, en el transcurso de años o incluso décadas, lo sacarían lentamente de su colisión. curso por la fuerza de su propia gravedad.
Ambas alternativas son técnicamente más complicadas que un impactador cinético como DART. Pero DART también está probando tecnologías que podrían aplicarse a naves espaciales posteriores.
Por ejemplo, demostrará el nuevo propulsor de iones, NEXT-C. Esto no es necesario para la misión de DART, que se basará principalmente en cohetes químicos convencionales. Pero los propulsores de iones, que usan electricidad para generar impulso, son mucho más eficientes que sus contrapartes químicas. Con unos pocos cientos de libras de propulsor pueden lograr lo que necesitaría decenas de miles de libras de combustible químico como la hidracina. Solo dos naves espaciales, Deep Space One y Dawn, han utilizado propulsores de iones en el espacio profundo, y NEXT-C es unas tres veces más potente que las de esas misiones.
Para generar la electricidad necesaria para NEXT-C, DART también utilizará una nueva matriz solar desenrollable que es más liviana que los paneles solares plegables convencionales. Al dar a los posibles defensores planetarios más trayectorias para elegir, los sistemas de propulsión sofisticados permitirían que los impactadores golpeen los asteroides entrantes a velocidades más altas.
Una representación de la nave espacial DART, con su motor de iones NEXT-C experimental encendido.
NASA/JOHN HOPKINS APLCuanto antes se pueda detectar un asteroide, u otro objeto, como un cometa, que se dirige hacia la Tierra, más fácil será hacer algo al respecto. Ya se han encontrado casi todos los asteroides que podrían representar una amenaza de extinción para la vida en la Tierra. Estas son enormes rocas de varias millas de diámetro, y ninguna de las conocidas amenazará a la humanidad en el corto plazo. (Se cree que el impacto de Chicxulub que condujo a la extinción de los dinosaurios involucró un objeto del orden de 10 millas de diámetro). Chelyabinsk, Rusia, en 2013, con la fuerza de una bomba nuclear de tamaño mediano. El objeto de Chelyabinsk tenía unos 20 metros de diámetro; su huelga rompió ventanas de 200 millas cuadradas en pleno invierno en un área altamente poblada. Mil setecientas personas resultaron heridas, en su mayoría por vidrios rotos.
Hace cuarenta años, no sabíamos si podríamos ser aniquilados por un asteroide asesino gigante dentro de una semana a partir del próximo martes. Ese riesgo particular de ignorancia se ha eliminado, dice Statler, científico del programa DART. Pero los objetos de menos de 500 pies, aproximadamente del tamaño de Dimorphos, son difíciles de detectar para los observatorios actuales, tanto terrestres como basados en satélites. (Un asteroide de 500 pies de diámetro golpearía con aproximadamente el impacto de la bomba atómica más grande de la historia). En este momento, dice Statler, tal vez se haya identificado una cuarta parte del número total de objetos pequeños potencialmente peligrosos. Si no sabemos dónde están, dice, entonces no tenemos la capacidad de predecir cuándo podría ocurrir un impacto y cuándo tendríamos que desviarnos.
La Misión de Vigilancia de Objetos Cercanos a la Tierra de 500 millones de dólares, un telescopio infrarrojo orbital financiado por la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria, se lanzará a finales de esta década y debería ayudar a resolver ese problema. Debido a que observa en longitudes de onda infrarrojas, tendrá una mayor capacidad que los telescopios de luz visible para mirar hacia el sol. Podrá detectar objetos bañados por la luz del sol y, por lo tanto, no visibles para los telescopios terrestres. Además, el observatorio Vera Rubin, un nuevo telescopio que se está construyendo en Chile, buscará objetos peligrosos utilizando una cámara de 3.200 megapíxeles, la más grande jamás utilizada en astronomía. Nuestra esperanza en otros 20 años es decir: 'Sí, también hemos retirado ese riesgo y sabemos cuáles vigilar', dice Statler.
Cuanto antes se encuentre un objeto entrante, menos poderoso debe ser un impactador diseñado por humanos para hacer el trabajo. Si se detecta un asteroide o cometa peligroso en la hora 11, se necesitará mucha más energía para cambiar su curso lo suficiente.
LICIACube se separará de un compartimento encima de DART 10 días antes del impacto y desplegará sus propios pequeños paneles solares. Mientras el pequeño cubesat se queda atrás para mirar, DART golpeará a Dimorphos.
Es probable que la nave espacial se rompa en pedazos muy pequeños, algunos convertidos en polvo. La mayoría de sus restos serán expulsados nuevamente cuando se forme el cráter. Es posible que los miembros estructurales grandes sobrevivan, aunque serán enterrados a una profundidad de hasta 10 pies en el asteroide. LICIACube observará la columna de eyección a medida que sale, y también fotografiará el lado más alejado de Dimorphos a medida que pasa. Pero no tendrá forma de reducir la velocidad: LICIACube continuará pasando a toda velocidad por Dimorphos hacia las profundidades del espacio.
La Agencia Espacial Europea está planeando una misión llamada Hera, que se lanzará en 2024 y volverá a visitar Dimorphos a principios de 2027 para tomar medidas más precisas de su masa, estudiar su composición y determinar β con una precisión aún mayor. Hera llevará dos cubesats propios y viajará por el sistema Didymos-Dimorphos durante un período planificado de tres a seis meses, recopilando muchos más datos.
Si todo va bien, DART abandonará la Tierra a fines de julio de 2021. El 30 de septiembre de 2022 dejará de existir: años de esfuerzo de cientos de personas transmutados en un empujón, el primero de una nueva era.