A gdyby asteroida miała właśnie uderzyć w Ziemię? Eksperyment i co o takich zagrożeniach wiemy

Co dwa lata przez biuro do spraw przestrzeni kosmicznej przy ONZ we współpracy z ESA organizowana jest konferencja Planetary Defense. Dyskutowane są na niej problemy związane z zagrożeniami dla Ziemi czającymi się w kosmosie. Elementem każdej konferencji jest też ciekawy eksperyment związany z hipotetycznym obiektem, który ma uderzyć w Ziemię. To problem mniej namacalny niż kosmiczne śmieci, ale również istotny.

Świadectwa, że uderzenia dużych asteroid w Ziemię to nie tylko fantazja

Jak ważne skutki dla planety takiej jak Ziemia może mieć uderzenie dużego obiektu nie mieliśmy okazji przekonać się naocznie. I całe szczęście. Na Ziemi obserwowane są duże kratery uderzeniowe sprzed milionów i miliardów lat, które w wyniku zmian na powierzchni “wtopiły” się w otoczenie, ale wciąż wyróżniają się kształtem. Jeśli wiemy czego szukać, łatwo je zauważymy.

Uderzenie asteroidy o rozmiarze kilkudziesięciu km w Ziemię można porównać do detonacji bomby jądrowej, ale o mocy miliony razy większej niż najpotężniejsze ładunki jakimi dysponuje człowiek. Nie będziemy mieli tu co prawda opadu radioaktywnego, za to inne skutki, w tym zanieczyszczenie atmosfery, które wpłynie drastycznie na klimat, dadzą się we znaki w skali globalnej przez wiele lat

Znany jest wam zapewne krater Chicxulub sprzed 65 milionów lat, którego ślady znajdują się na półwyspie Yukatan w Meksyku, a który traktowany jest jako świadectwo końca epoki dinozaurów. Są też inne, największy to 190 km krater Vredefort w Południowej Afryce, ślad po zderzeniu sprzed 2 miliardów lat. Stary jest także krater Sudbury w kanadyjskim Ontario. Ma 130 km średnicy i powstał prawdopodobnie 1,8 miliarda lat temu.

Krater pouderzeniowy i jezioro Manicouagan w Kanadzie - który to obiekt na zdjęciu z pewnością się domyślicie

Im młodsze ślady po zderzeniach z asteroidami tym mniejsze związane z nimi kratery. Wyjaśnienie jest następujące. Tylko duże kratery mogłyby przetrwać miliardy lat i być zauważalne. Nie obserwujemy takich śladów też zbyt wiele, bo ich wpływ na środowisko jest globalny, więc jeśli takie zderzenie nastąpiłoby nie dawniej niż kilkaset tysięcy lat temu, prawdopodobnie tego tekstu byście nie czytali.

Z kolei stare kratery o małym rozmiarze całkowicie wyerodowały i przestały stanowić odróżnialne od otoczenia struktury. Tylko te młode mogły się jeszcze zachować w prawie niezmienionej formie. Przykładem są kratery w parku krajobrazowym Morasko na północy Poznania. Uznaje się je za pozostałości po wydarzeniach sprzed 5 tysięcy lat. Największy z nich ma około 100 metrów średnicy.

Największe wypadki w niedawnej historii to nie były uderzenia, a eksplozje w atmosferze

Wszyscy kojarzymy meteor Tunguska, który eksplodował w 1908 roku nad Ziemią w rejonie rzeki Podkamienna Tunguska na Syberii. Odtworzenie przebiegu zdarzenia, które zakończyło się zniszczeniem lasów na powierzchni 2500 kilometrów kwadratowych (cztery razy większej od powierzchni Warszawy) i dało się odczuć tysiące kilometrów dalej, utrudnia brak śladu w postaci jakiegokolwiek krateru.

Przyjmuje się, że był to obiekt o rozmiarze nie większym niż 100 m. Jednak istnieje teoria, która sugeruje, że ogromna żelazna asteroida tylko “musnęła Ziemię” i wciąż obiega Słońce, a nie eksplodowała w całości. Przejście przez atmosferę wywołało falę uderzeniową, która mogłaby odpowiadać za obserwowane zniszczenia. Gdyby taka asteroida (o średnicy około 200 metrów) uderzyła w Ziemię to mógłby być dla nas “game over”.

Zdjęcia powalonych drzew to najczęściej przywoływane świadectwa katastrofy tunguskiej

W przeciwieństwie do meteorytu Tunguska, zdarzenie z 2013 roku w Czelabińsku na terenie Rosji zostało dobrze udokumentowane. Mieliśmy tam do czynienia z eksplozją około 20-metrowej średnicy obiektu w ziemskiej atmosferze na wysokości około 30 km. Nie został on wcześniej zarejestrowany.

W obu wypadkach mieliśmy szczęście. Rejon rzeki Tunguska był bardzo słabo zaludniony (mówi się o potencjalnych 3 ofiarach śmiertelnych), a meteor z Czelabińska zbyt mały by wyrządzić naprawdę duże szkody. Niemniej liczbę rannych po przejściu fali uderzeniowej oszacowano na 1500 osób.

Hipotetyczna asteroida 2021 PDC

To obiekt, który nie istnieje, ale przez uczestników Planetary Defence Conference traktowany jest jak prawdziwy. Takie ćwiczenie pomaga w gronie ekspertów analizować problem i rozważyć potencjalne zagrożenia, szkody oraz to jak im przeciwdziałać.

Tegoroczna konferencja trwa od 26 do 30 kwietnia, ale sama asteroida została „wykryta” 19 kwietnia. Co o niej wiemy:

• w momencie odkrycia miała jasność 21,5 magnitudo (to bardzo słaby obiekt, który dostrzec mogą jedynie duże teleskopy), jej istnienie potwierdzono dzień później,
• jest to bardzo tajemniczy obiekt, nie wiadomo jaki ma rozmiar - może to być od 35 do 700 km, zależnie od składu powierzchni i stopnia w jakim odbija ona światło (albedo),
• parametry orbity są dość dobrze określone (okres obiegowy wokół Słońca 1,4 roku, najbliższy Słońcu punkt leży nieco bliżej niż Ziemia, a najdalszy, trochę za orbitą Marsa),
• w dniu odkrycia asteroida była 57 milionów kilometrów od Ziemi i zbliżała się do niej z prędkością 5 km/s (dla porównania teleskop Hubble obiega Ziemię z prędkością około 7 km/s), minimalna odległość około 52 milionów kilometrów ma być osiągnięta 9 maja,
• potem asteroida oddali się, ale kolejne zbliżenie się tego hipotetycznego obiektu do Ziemi w październiku 2021 miałoby zakończyć się zderzeniem,
• w poniedziałek 26 kwietnia prawdopodobieństwo takiej katastrofy oszacowano już na 5%,

I w tym momencie do gry wkraczają uczestnicy konferencji, którzy rozwijają scenariusz niczym uczestnicy gry typu RPG. Zdobyte tak doświadczenie, kiedyś może zaprocentować.

Tymczasem poznajmy sposoby na jakie ludzkość realnie próbuje się zabezpieczyć przed potencjalnym kataklizmem.

Detekcja, a potem prewencja, ale kto tak naprawdę jest przeciwnikiem

By uchronić się przed zderzeniem należy podjąć następujące działania:

• monitorowanie nieba, śledzenie orbit już znanych obiektów jak i wykrywanie tych, których wcześniej nie znaliśmy,
• selekcja niebezpiecznych obiektów i ocena stopnia zagrożenia,
• wdrożenie działań, które doprowadzą do zmiany trajektorii asteroidy w najodpowiedniejszym czasie.

Co więcej nie wolno tych działań odkładać na później. To trochę tak jak ze zmianami klimatu. Nie muszą być dokuczliwe w skali dekady, ale po upływie kilkadziesięciu lat mogą okazać się zgubne dla naszej cywilizacji.

Orbity asteroid, które mogą potencjalnie zagrozić Ziemi wedle stanu na rok 2013 było ich 1400

Podobnie, choć nie obserwujemy obecnie asteroid na kursie kolizyjnym z Ziemią, to istnieje wiele obiektów zwanych PHA (potencjalnie niebezpieczne asteroidy). To podgrupa szerszej klasy obiektów określanych jako NEO (obiekty bliskie Ziemi) czyli takie, które zbliżając się do Słońca zbliżają się też do orbity Ziemi.

Asteroidy potencjalnie zagrażające Ziemi to takie obiekty, które w trakcie swojego ruchu po orbicie zbliżają się na mniej niż około 7.5 miliona kilometrów do Ziemi i mają średnicę większą niż 140 metrów. I to one mogą stać się naszym przeciwnikiem

W przypadku PHA kluczowe jest tu słowo potencjalnie. Obecnie żaden z nich nie stanowi zagrożenia. W drugiej połowie obecnej dekady spodziewane są bliskie przeloty kilku obiektów, ale będą one zbyt małe, by nam zaszkodzić, albo ich orbity są na tyle pewne, że miną Ziemię.

Najbardziej znana groźna asteroida to 99942 Apophis, która miała uderzyć w Ziemię w niedalekiej przyszłości. Na szczęście wiemy, że zarówno w 2068 roku, jak i w ciągu najbliższych 100 lat nic takiego się nie zdarzy

Czy jednak mamy pewność co zdarzy się w przyszłości, znamy wszystkie obiekty, które mogą zagrozić Ziemi? W końcu ruch ciał w Układzie Słonecznym to problem wielu ciał, którego dokładnie nie potrafimy rozwiązać.

Odpowiedź brzmi "nie" i dlatego organizowane są takie ćwiczenia i konferencje, które pomogą dopracować strategię ochrony przed potencjalnym kataklizmem. Elementem tej strategii jest edukacja społeczeństwa, która ma między innymi wzbudzić w ludziach szacunek dla sił natury.

W walce z nadlatującymi asteroidami przeciwnikiem jest też ludzka mentalność

I nie ma się co tutaj dziwić. W końcu trudno zwykłemu człowiekowi poważnie traktować rzeczy, które zna jedynie z fantastyki naukowej lub jako świadectwa przeszłości. Dlatego by nastawić go pozytywnie do zagadnienia ochrony Ziemi przed nadlatującymi asteroidami, należy unikać błędów. A o te nietrudno gdy jedynie podsyca się emocje i wywołuje tanie sensacje za pomocą populistycznego słownictwa. To działanie szkodliwe, które niweczy pozytywny wysiłek innych.

Sprawdź kiedy coś znajdzie się w pobliżu Ziemi (5 najbliższych kolejnych przelotów)

Zresztą strachem nic tu nie zdziałamy. Jak to się mówi, czasem lepsza błoga nieświadomość niż wymuszona panika. Nasz potencjał jako cywilizacji kosmicznej wciąż jest bardzo mały, ale się rozwijamy. Są eksperci od poszukiwania kosmicznych zagrożeń. Wystarczy uszanować ich pracę.

To ile ich w końcu jest - asteroid przelatujących w pobliżu orbity Ziemi

W 1998 roku do kin trafiły dwa filmy, Armageddon i Dzień Zagłady, traktujące o walce z nadlatującą asteroidą o niszczycielskim potencjale. Być może to tylko zbieg okoliczności, ale to właśnie pod koniec XX wieku zaczęto poważniej traktować kwestię NEO. Rozwój technologii obserwacyjnych też się przydał.

Na początku maja 2000 roku znaliśmy około tysiąca obiektów NEO. W roku 2010 ta liczba wzrosła do około 7 tysięcy. Rok temu znanych było nam około 23 tysiące NEO. Niedługo ich liczba przekroczy 26 tysięcy.

Średnio raz na 2000 lat asteroida o rozmiarze porównywalnym z boiskiem piłkarskim uderza w Ziemię i powoduje znaczące zniszczenia. Za to codziennie w atmosferę Ziemii uderza 100 ton obiektów o rozmiarze ziarna piasku i mniejszym

Obecnie 890 obiektów o rozmiarze przekraczającym kilometr. Choć bardzo powoli to wciąż ich przybywa, a to świadczy o tym, że daleko nam do poznania kompletu dużych obiektów. Asteroid większych niż 140 metrów jest około 9 tysięcy. Resztę stanowią mniejsze obiekty i to ich najwięcej obecnie wykrywamy.

A jak je wykrywamy? 

Nie używa się tutaj największych teleskopów na świecie, gdyż te pomimo ogromnej czułości mają bardzo wąskie pole widzenia. A to dyskwalifikuje je jako podstawowe narzędzia do poszukiwania i śledzenie pozycji już znanych asteroid. Wszystko musi być robione masowo i w miarę możliwości jak najczęściej. W ten sposób jesteśmy w stanie wykryć nie tylko odległe obiekty, ale też te szybko poruszające się, które umknęły wcześniejszej detekcji, a teraz szybko przemierzają nieboskłon zbliżając się do Ziemi.

Podwójna asteroida Didymos i Dimorphos - obrazy uzyskane radarowo przez radioteleskop Arecibo

Dlatego teleskopy stosowane w projektach związanych z poszukiwaniem NEO mają przede wszystkim szerokie (kilka stopni kątowych) lub bardzo szerokie pole widzenia (kilkanaście i więcej stopni) oraz kamery o dużej rozdzielczości (od kilku do ponad 100 Mpix).

Elektronikę uzupełnia oprogramowanie, które specjalizuje się w analizie porównawczej obrazów. Czasem są to projekty zaplanowane od początku z zamiarem wykrywania i obserwacji asteroid lub komet jak Catalina Sky Survey (CSS) czy ATLAS, czasem są to ogólne programy masowego przeglądu nieba jak Pan-STARRS, a kiedy indziej to dodatkowa korzyść z innych projektów jak teleskop kosmiczny WISE, z którego obrazy (rejestrowane w podczerwieni) są wykorzystywane w projekcie NEOWISE.

Asteroidy są bardzo chłodne w porównaniu z otoczeniem, więc gwiazdy nawet te zimne na zdjęciu po korekcji kolorów mają barwę niebieską. Dlatego tez poszukiwanie asteroid najlepiej prowadzić w podczerwieni

Powyżej wspomnianym projektom zawdzięczamy dziś większość detekcji nowych obiektów. Lecz astronomowie nie gardzą także danymi z innych projektów, które ze względu na swoją długą bazę czasową również mogą się przydać. Wynikowa baza obiektów NEO to kompilacja wyników ze wszystkich programów obserwacyjnych.

Stanowi ona pożywkę dla zautomatyzowanych systemów monitorowania zagrożeń takich jak JPL Sentry. Generują one na bieżąco listę obiektów stanowiących największe zagrożenie. Im więcej obserwacji danego obiektu tym precyzyjniejsze są przewidywania.

Jak się bronić przed uderzeniem asteroidy w Ziemię

Obecnie pod uwagę bierzemy działania, które spowodują odchylenie orbity zagrażającej nam asteroidy. Na tyle, by w trakcie przelotu w pobliżu Ziemie nie została przechwycona przez jej grawitację.

Do wyboru mamy w zasadzie dwie opcje. Użycie broni atomowej lub impaktora kinetycznego. To pierwsze podejście budzi wiele wątpliwości i emocji, ale jest uznawane za najefektywniejsze w sytuacji, gdy trzeba działać szybko.

Drugie rozwiązanie jest subtelniejsze, ale też wymaga bardzo dokładnej znajomości parametrów orbity danego ciała niebieskiego jak i jego własności. Skorzystanie z impaktora najlepsze rezultaty może przynieść w sytuacji, gdy do zderzenia pozostaje tak dużo czasu, że dałoby się wysłać nie jedną, ale kilka misji, w tym taką, która najpierw dokładnie zbada asteroidę.

Pierwszym testem technologii impaktora kinetycznego jest zapowiadana od dawna misja NASA o nazwie DART. Nie należy jej mylić z wcześniejszym projektem o podobnym skrócie, którego celem była demonstracja technologii automatycznej nawigacji i łączenia się satelitów na orbicie.

Double Asteroid Redirection Test, czyli sprawdzamy czy asteroidę można kopnąć

To określenie dobrze oddaje działanie, które ma doprowadzić do zmiany trajektorii asteroidy. Pojazd DART wystrzelony będzie najwcześniej jesienią tego roku przez SpaceX. Poleci w kierunku asteroidy Didymos o średnicy 780 metrów.

W odległości około kilometra obiega ją mniejszy Dimorphos, którego średnica wynosi 160 metrów. Jest on na tyle jasny, że jego pozycję podobnie jak Didymosa mogą śledzić naziemne teleskopy. A jednocześnie na tyle duży, by samodzielnie stanowił zagrożenie (o skali nawet globalnej, jeśli byłby to obiekt skalisty z dużym udziałem procentowym żelaza), gdyby miał wejść na kurs kolizyjny z Ziemią.

Plan akcji w układzie Didymos-Dimorphos. Na ostatnim etapie lotu sondy odłączy się od niej mały CubeSAT, który przelatując obok Dimorphosa sfotografuje moment zderzenia

Ważący około 500 kilogramów DART zderzy się z Dimorphosem z prędkością około 6 km/s. Powinno to zmienić prędkość tej asteroidy względem Didymosa jedynie o ułamek procenta. Mało, ale wystarczająco dużo, by zmiana okresu obiegu wokół Didymosa dała się zaobserwować.

Na razie mniej istotne jest to czy odchylenie będzie zgodne z planami, istotniejsze jest sprawdzenie czy w ogóle taki kopniak jest działaniem, które wpłynie na ruch obiektu.

Niezależnie od obserwacji Didymosa i Dimorphosa z Ziemi, w 2024 roku wysłana będzie sonda ESA o nazwie Hera w celu zbadania obu obiektów i dokładnej oceny efektów zderzenia DART z Dimorphosem.

Źródło: iaaspace.org, NASA, inf. własna

Czytaj więcej na temat kosmosu:

• Żelazne asteroidy mogą być warte fortunę - NASA zbada największą z nich
• Gliese 1132 b to planeta, która straciła atmosferę, ale zrobiła sobie kolejną
• Czy w końcu odkryjemy dziewiątą planetę w Układzie Słonecznym? Niekoniecznie