Niet zo eenvoudig als het leek: puin van de DART-missie compliceert de verdediging van de aarde

In september 2022, toen NASA's DART-ruimtesonde neerstortte op Dimorphos , de kleine maan van de asteroïde Didymos, veranderde niet alleen zijn baan zoals gepland, maar veroorzaakte het ook een enorme rotsval met een momentum dat meer dan drie keer zo groot was als dat van het ruimtesonde zelf.

Dit betekent dat, hoewel die missie succesvol was in het aantonen dat de kinetische energie van inslaglichamen zoals DART inderdaad de baan van een asteroïde kan veranderen, de rotsen die door de inslag zelf worden uitgeworpen ook in staat zijn om krachten in onverwachte richtingen te creëren die de afbuiging aanzienlijk zouden kunnen compliceren. Met andere woorden, het afbuigen van een asteroïde door middel van kinetische inslag als vorm van planetaire verdediging is een veel complexere taak gebleken dan verwacht.

De ontdekking, gedaan door een team van astronomen onder leiding van de Universiteit van Maryland, is zojuist gepubliceerd in het Planetary Science Journal.

"We zijn erin geslaagd een asteroïde af te buigen en uit zijn baan te bewegen", zegt Tony Farnham, hoofdauteur van de studie. "Maar ons onderzoek toont aan dat, hoewel de directe inslag van het DART-ruimtevaartuig deze verandering veroorzaakte, de uitgeworpen rotsen de asteroïde een extra 'kick' gaven die minstens zo groot was. Een factor die de natuurkunde verandert en waarmee rekening moet worden gehouden bij het plannen van dit soort missies."

Op 26 september 2022 voerde NASA's DART-ruimtevaartuig (Double Asteroid Redirection Test) een ongekende manoeuvre uit: het stortte opzettelijk neer op Dimorphos, de kleine satelliet die in een baan om de asteroïde Didymos draait. Het hoofddoel van de missie was om de haalbaarheid van de "kinetische impactor"-techniek voor het afbuigen van asteroïden aan te tonen. De botsing, met een snelheid van meer dan 22.000 kilometer per uur, was een doorslaand succes: de baan van Dimorphos rond Didymos werd met 32 ​​minuten verkort, ruimschoots meer dan de vooraf vastgestelde succesdrempel van 73 seconden. De mensheid had voor het eerst bewezen dat ze in staat was de koers van een hemellichaam te veranderen.

Wat Farnham en zijn team echter onlangs ontdekten, is dat een aanzienlijk deel van die baanverandering niet het gevolg was van de directe impact van het ruimtevaartuig, maar van de 'terugslag' van het materiaal dat door de botsing werd uitgeworpen. Dit zorgde voor een extra impuls, een 'kosmische stoot' die bijna net zo groot was als de DART-inslag zelf . Het uitgeworpen materiaal fungeerde in feite als een soort 'extra' stuwstof en duwde de asteroïde met aanzienlijke kracht in de tegenovergestelde richting van de uitwerping.

Maar hoe konden wetenschappers dit complexe fenomeen ontrafelen? De sleutel ligt in DART's kleine maar onmisbare reisgenoot: LICIACube. Deze piepkleine CubeSat, ontwikkeld door de Italiaanse ruimtevaartorganisatie ASI, scheidde zich 15 dagen voor de inslag los van DART en positioneerde zich strategisch in de beste positie om het schouwspel te observeren. Zo begon LICIACube, op een afstand van 56,7 kilometer en slechts 165 seconden na de botsing, een ongekende reeks beelden van de immense ejectapluim die uit de inslagplek spoot, naar de aarde terug te sturen.

Dankzij die beelden kon het team van astronomen de beweging van 104 rotsblokken, met een straal van 0,2 tot 3,6 meter, volgen terwijl ze zich met snelheden tot 52 meter per seconde (ongeveer 187 kilometer per uur) van Dimorphos verwijderden. Door deze trajecten in drie dimensies te analyseren, deden Farnham en zijn collega's een verrassende ontdekking: de rotsblokken waren niet willekeurig verspreid. In plaats daarvan groepeerden ze zich in twee afzonderlijke groepen, met een opvallende afwezigheid van materiaal op andere plaatsen. "We zagen dat de rotsblokken niet willekeurig in de ruimte verspreid waren", legt Farnham uit. "In plaats daarvan groepeerden ze zich in twee duidelijk verschillende groepen, met een gebrek aan materiaal elders, wat betekent dat er iets onbekends aan de hand was."

De grootste puinhoop, die ongeveer 70% van de gemeten objecten uitmaakte, werd met hoge snelheid en in een kleine hoek ten opzichte van het oppervlak van de asteroïde naar het zuiden uitgeworpen. Wetenschappers veronderstellen dat deze rotsblokken waarschijnlijk afkomstig waren van specifieke bronnen, mogelijk grotere rotsblokken op Dimorphos die door de zonnepanelen van DART werden verbrijzeld vlak voordat het hoofdgedeelte van het ruimtevaartuig het oppervlak raakte. Jessica Sunshine, medeauteur van de studie, suggereert dat de zonnepanelen van DART twee grote rotsblokken op de asteroïde, bijgenaamd Atabaque en Bodhran, zouden kunnen hebben geraakt en dat de naar het zuiden uitgeworpen puinhoop zou bestaan ​​uit fragmenten van Atabaque, een rotsblok met een diameter van 3,3 meter.

Sunshine, die ook plaatsvervangend hoofdonderzoeker was van NASA's Deep Impact -missie naar komeet Tempel 1 in 2005, vergeleek de resultaten van die missie met die van DART.

"De Deep Impact", legt de onderzoeker uit, "trof een oppervlak dat in wezen uit zeer kleine, uniforme deeltjes bestond, waardoor de uitwerping relatief soepel en continu verliep. Maar hier zien we dat DART insloeg op een steenachtig oppervlak bezaaid met grote rotsblokken, wat resulteerde in chaotische, filamentachtige structuren in de uitwerppatronen."

Dit fundamentele verschil – een oppervlak van fijne deeltjes versus een rotsachtig, kiezelachtig oppervlak – is cruciaal om te begrijpen hoe verschillende soorten hemellichamen reageren op inslagen. Het is als het vergelijken van een kogel die een zandzak raakt met een kogel die een bakstenen muur raakt: de impact en verspreiding van het materiaal zijn compleet anders. Deze informatie, zegt Sunshine, "is essentieel om een ​​toekomstige planetaire verdedigingsmissie succesvol te maken."

Het momentum (de mate van beweging) van de rotsblokken die door de DART-inslag werden weggeslingerd, stond voornamelijk loodrecht op de baan van het ruimtevaartuig. Dit betekent dat Dimorphos niet alleen zijn baan heeft veranderd, maar ook zijn baanvlak tot één graad kan hebben gekanteld, waardoor de asteroïde mogelijk onregelmatig in de ruimte is gaan wiebelen. Het spreekt voor zich dat voor een missie met een precieze afbuiging als doel, elke onverwachte wiebel een kritieke factor kan zijn.

Het werk van dit team om de impact van puin te begrijpen, zal cruciaal zijn voor de Hera-missie van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA), die naar verwachting in 2026 bij het Didymos-Dimorphos-systeem zal aankomen. Hera, dat samen met DART deel uitmaakt van de AIDA-samenwerking (Asteroid Impact and Deflection Assessment), heeft als belangrijkste doelstellingen het Didymos-dubbelstersysteem na de inslag in 2022 gedetailleerd te bestuderen, de interne eigenschappen ervan te beoordelen en de gevolgen van de botsing met DART nauwkeurig te meten. De Hera-missie zal zijn eigen CubeSats, Milani en Juventas, inzetten om spectrale gegevens van het oppervlak te verzamelen en de ondergrond en interne structuren van de asteroïde te bestuderen.

Kortom, de studie van de Universiteit van Maryland onderstreept het belang van het overwegen van alle variabelen bij het plannen van toekomstige asteroïde-afbuigingsmissies. Het is niet voldoende om de hoofdinslag te voorspellen; het is essentieel om de fysica van de uitwerping te begrijpen, de grootte en samenstelling van het uitgeworpen materiaal, en hoe dit de baan en rotatie van de asteroïde kan beïnvloeden.

"Als er een asteroïde onze kant op zou komen," concludeert Sunshine, "en we wisten dat we die een bepaalde afstand moesten afleggen om te voorkomen dat hij de aarde zou raken, dan worden al deze subtiliteiten heel erg belangrijk. Je kunt het zien als een potje kosmisch biljart. We zouden de plank mis kunnen slaan als we niet alle variabelen in overweging nemen."