Ile obserwacji trzeba, by wykryć niebezpieczną asteroidę? Zdziwicie się

Asteroidy potencjalnie zagrażające Ziemi to tzw. PHA (ang: Potentially Hazardous Asteroids). Wśród tych które znamy, brak obiektów, które w najbliższej przyszłości stworzą zagrożenie dla naszej planety. Problemem są jednak te niewykryte. Zgodnie z definicją orbity asteroid PHA są bliskie orbity Ziemi -zbliżają się one na mniej niż 8 milionów km, czyli około 20 odległości Ziemia-Księżyc. Asteroidy PHA do podklasa liczącej ponad 31 tysięcy obiektów grupy asteroid o orbitach bliskich Ziemi (ang: NEO).

Niedawno, po zakończeniu misji DART, przekonaliśmy się, że możemy wpływać na orbitę takich obiektów, a jednocześnie poznaliśmy brutalną prawdę, która mówi iż wiele z nich to asteroidy o luźnej strukturze, stanowiące zbitek niewielkich skał, a te znacznie trudniej zmusić do zmiany orbity.

Kiedyś wyobrażaliśmy sobie asteroidy jako jednolite obiekty. Teraz wiemy, że nie jest to regułą. (wizualizacja: NASA)

Dlatego im wcześniej wykryjemy takie obiekty, tym więcej czasu sobie damy na potencjalne działania zapobiegawcze. Problem z asteroidami jest taki, że o ile te duże obiekty są nam znane (tak przynajmniej uważamy), tak te mniejsze (ale wcale nie małe, bo o rozmiarach rzędu setek metrów) są na tyle słabo widzialne w odbitym świetle słonecznym, że ich detekcja jest na granicy możliwości naszych instrumentów obserwacyjnych.

Potrzeba nam teleskopów, które szybko sfotografują całe niebo. Rubin będzie najlepszym

Potencjał teleskopów rośnie, ale nie zachłystujmy się możliwością odkrycia około 150 metrowej asteroidy przez teleskop Webb. Jego pole widzenia jest tak małe, że poszukiwanie takich asteroid oznaczałoby przeznaczenie na ten cel reszty jego astronomicznej kariery w kosmosie. A i tak przeszukałby on mikroskopijny fragment nieba, co gorsza przegapiając prawdopodobnie wiele ważnych obiektów.

By skutecznie kontrolować niebo konieczne jest zbudowanie teleskopu, który będzie w stanie obserwować całe niebo z dużą częstotliwością. Takie teleskopy już istnieją i pracują w ramach sieci ATLAS finansowanej przez NASA. W 2025 roku pracę rozpocznie też teleskop w obserwatorium Very C. Rubin (w skrócie Rubin) zlokalizowanym w Chile, wyjątkowy pod wieloma względami.

Obserwatorium Very C. Rubin w lipcu 2023 (na południowej półkuli Ziemi mamy zimę, a śnieg nawet na terenach pustynnych nie jest rzadkością). Budynek teleskopu widoczny po lewej (fot: Obserwatorium Rubin)

Jego siłą nie jest rozmiar zwierciadła wynoszący 8,4 metra, zresztą nieznacznie większy niż w teleskopach VLT, a mniejszy niż w największych obecnie teleskopach na świecie klasy 10 metrów (Wielki Teleskop Kanaryjski, HET, SAL, Keck) i znacząco mniejszy niż w budowanych superteleskopach. Poza tym, efektywna apertura teleskopu Rubin jest jeszcze mniejsza i wynosi tylko 6,3 metra.

Istotne jest to, że teleskop Rubin wyposażono w optykę o polu widzenia wynoszącym 3,5 stopnia kątowego. Ten rozmiar odpowiadający siedmiu średnicom kątowym Ksieżyca, wydaje się mały, bo to mniej więcej rozmiar kątowy w pionie zdjęcia nieba wykonanego obiektywem o ogniskowej około 400 mm. Jednakże dla teleskopu klasy 8 metrów to wręcz bardzo szerokie pole widzenia.

Na dodatek w teleskopie zastosowana będzie kamera o rozdzielczości aż 3,2 gigapiksela, a to oznacza, że jedna obserwacja obejmie nie tylko stosunkowo duży fragment nieba, ale też z bardzo dużą rozdzielczością.

Tylko dwie potencjalne obserwacje w ciągu nocy z teleskopu Rubin. Jak wykryć asteroidę?

Celem teleskopu Rubin będzie fotografowanie całego dostępnego mu nieba każdej nocy (to oznacza przede wszystkim niebo południowe), a inne korzyści naukowe (których niewątpliwie będzie wiele) staną się produktami ubocznymi. I tutaj pojawia się największy problem, czyli określenie co dla poszukiwaczy asteroid oznacza często. Teleskopy systemu ATLAS wykonują około 4 obserwacji tego samego fragmentu nieba w ciągu nocy, a teleskop Rubin, będzie obserwował całe dostępne mu niebo tylko dwukrotnie powtarzając obserwacje wybranego fragmentu w ciągu nocy.

Liczba obserwacji spada więc trzeba więcej czasu, by wykryć obiekt, a potem ocenić jego orbitę. Gdy asteroida jest odległa nie jest to problemem, ale weźmy pod uwagę te bliższe i mniejsze niż 150 metrów asteroidy. Choć nie są to asteroidy typu PHA to wciąż mogą one nabałaganić, gdy natrafią w swojej podróży na Ziemię.

Te zdjecia asteroidy 2022 SF289 wykonane w kolejnych nocach w ramach projektu ATLAS pokazują jak trudno wykryć niewielki obiekt, o którym nie wiemy nawet, że powinien znajdować się w danym miejscu. (fot: ATLAS/University of Hawaii Institute for Astronomy/NASA)

Szybkie wykrycie asteroidy polega na zaobserwowaniu przemieszczającego się w linii na kolejnych zdjęciach obiektu. To teoretycznie prostsze niż wyznaczanie orbity obiektu, do której zgrubnej oceny potrzeba trzech obserwacji. Lecz w praktyce trzeba wiedzieć, że każda kolejna obserwacja to ten właśnie obiekt, a nie coś innego. Gdy to wiemy to faktycznie takie trzy obserwacje wystarczą, gdy nie wiemy, trzeba ich więcej. Dotychczasowe algorytmy wymagały 4 obserwacji wykonanych w stosunkowo niewielkim odstępie czasowym (czyli w ciągu nocy).

Na potrzeby teleskopu Very C. Rubin opracowano nowy algorytm, który poradzi sobie nawet jeśli obiekt został wykryty w obserwacjach tylko raz w ciągu jednej nocy. Algorytm nazwano HelioLinc3D. Choć obserwacji z teleskopu Rubin jeszcze nie ma, przetestowano go na symulowanych danych bazujących na obserwacjach z projektu ATLAS.

Algorytm HelioLinc3D zadziałał. Zdał egzamin śpiewająco

Pierwsza wykryta za pomocą HelioLinc3D asteroida to 2022 SF289. To obiekt, który jak sugeruje nazwa już wcześniej znalazł się w danych projektu ATLAS, ale nie udało się go zaklasyfikować jako asteroidy NEO. Jest on na granicy wykrywalności i żadnej nocy nie obserwowało go cztery razy, a tylko trzy razy w ciągu czterech nocy. HelioLinc3D połączył jednak dane z czterech nocy tak, by dokonać pomyślnej detekcji.

Obejrzyj w

Asteroida 2022 SF289 to obiekt o średnicy około 182 metrów, który pasuje do definicji asteroid potencjalnie zagrażających Ziemi i na dodatek jest z tych mniejszych. Zbliża się do Ziemi na 225 tysięcy km i choć to bliżej niż Księżyc nie jest na razie zagrożeniem bezpośrednim. We wrześniu 2022, gdy obserwowano asteroidę, była ona najbliżej orbity Ziemi w swoim ruchu orbitalnym, ale tym razem Ziemia znajdowała się daleko, bo w odległości 7,2 miliona kilometrów.

Asteroida 2022 SF289 (kolor zielony) w momencie zbliżenia sie do orbity Ziemi (kolor niebieski) we wrześniu 2022 roku. Kolejne zbliżenie tej asteroidy do orbity Ziemi nastąpi dopiero za ponad 2,5 roku, ale wtedy minimalna odległość będzie jeszcze większa niż w 2022 roku. (fot: J. Moeyens/University of Washington/OpenSpace)

W przyszłości, jak zapowiada Mario Jurić, szef instytutu DiRAC, gdzie opracowano algotytm HeloLinc3D - Obserwatorium Rubin będzie wykrywać takie asteroidy każdej nocy. Traktuje także algorytm HelioLinc3D jako przedsmak nowej ery astronomicznych obserwacji - ważną rolę odegrają w niej doskonalone algorytmy bazujące także na AI.

Źródło: inf. własna, Instytut DiRAC