Защита планеты Земля: исследования объектов, сближающихся с Землей, и стратегии уменьшения опасности (2010 г.)

Глава:3 Исследование и обнаружение объектов, сближающихся с Землей

3

Обследование и обнаружение объектов, сближающихся с Землей

Конгресс установил для НАСА два мандата по обнаружению околоземных объектов (ОСЗ). Первый мандат, теперь известный как Spaceguard Survey, предписывал агентству обнаружить к 2008 году 90 процентов сближающихся с Землей объектов диаметром 1 километр или больше. К 2009 году агентство было близко к достижению этой цели. Хотя оценка этой популяции постоянно пересматривается, поскольку астрономы собирают дополнительные данные обо всех ОСЗ (а также астероидах и кометах в целом), ожидается, что эти пересмотры останутся. Однако открытие в 2009 г. астероида 2009 HC 82 , ОСЗ диаметром 2-3 км на ретроградной («обратной») орбите, является напоминанием о том, что некоторые ОСЗ диаметром 1 км и более остаются необнаруженными.

Второй мандат, раздел Джорджа Э. Брауна-младшего, посвященный исследованиям объектов, сближающихся с Землей, Закона о санкционировании НАСА от 2005 года (публичный закон 109-155), предписывал НАСА обнаруживать 90 процентов сближающихся с Землей объектов диаметром 140 метров или более. к 2020 г. Однако на самом деле исследования сосредоточены не на всех ОСЗ, а на потенциально опасных ОСЗ. ОСЗ может приблизиться к Земле, но никогда не пересечь ее орбиту и, следовательно, не будет потенциально опасным. Обследования в первую очередь интересуют потенциально опасные ОСЗ, и именно эта популяция является предметом внимания данной главы. Для выполнения последнего мандата потребуется значительное новое оборудование (например, наземные и / или космические телескопы). Администрация не составляла бюджет, и Конгресс не одобрил новое финансирование НАСА для достижения этой цели.и небольшой прогресс в ее достижении был достигнут за последние 5 лет.

Критерии оценки успеха мандата на обнаружение ОСЗ в значительной степени зависят от оценок, которые могут быть ошибочными, таких как размер популяции ОСЗ и средние характеристики отражательной способности поверхности объекта. В течение многих лет среднее альбедо (доля падающего видимого света, отраженного от поверхности объекта) ОСЗ принималась равной 0,11. Более поздние исследования (Stuart and Binzel, 2004) определили, что среднее альбедо было более чем на 25 процентов выше, или 0,14, со значительными вариациями альбедо среди ОСЗ. Различия между альбедо в популяции ОСЗ также вносят свой вклад в неопределенности в оценках ожидаемой популяции опасных ОСЗ. Это различие означает, что в среднем ОСЗ имеют диаметр как минимум на 10 процентов меньше, чем считалось ранее.изменение представления ученых о распределении популяции ОСЗ по размеру.

Наземным телескопам трудно наблюдать за ОСЗ, приближающимися к Земле со стороны Солнца, потому что их непосредственная близость к Солнцу - если смотреть с Земли - создает проблему для солнечного света, рассеиваемого атмосферой Земли, а также представляет опасность для телескопов, когда они указывают на эти направления. Объекты, оставшиеся в этих направлениях, имеют орбиты в основном внутри Земли; понимание их количества пока очень неопределенно. Кроме того, есть объекты, которые остаются слишком далеко от Земли, чтобы их можно было обнаружить почти все время. К последним относятся

Приближающиеся к Земле кометы (кометы с орбитами, которые приближаются к Солнцу на расстояниях менее 1,3 астрономических единиц [а.е.] и имеют периоды менее 200 лет), 151 из которых в настоящее время известны. Они представляют собой класс объектов, которые, вероятно, обречены быть вечно известными только частично, поскольку они вряд ли будут обнаружены до близкого столкновения с Землей. Эти объекты после завершения исчерпывающих поисков ОСЗ могут стать основной угрозой столкновения для человечества.

Таким образом, оценка полноты съемок ОСЗ подвержена неопределенностям: некоторые группы ОСЗ особенно трудно обнаружить. Астероиды и кометы постоянно теряются среди населения ОСЗ из-за того, что они сталкиваются с Солнцем или планетой, или из-за того, что они выбрасываются из Солнечной системы. Некоторые астероиды сталкиваются с изменением их размеров или орбит. Новые объекты попадают в популяцию ОСЗ из более далеких резервуаров на протяжении сотен тысяч и миллионов лет. Среди неоткрытых ОСЗ могут быть крупные объекты, такие как 2009 HC 82.а также объекты, которые будут обнаружены всего за несколько месяцев или меньше до столкновения с Землей («неизбежные столкновения»). Следовательно, несмотря на то, что 85 процентов ОСЗ диаметром более 1 километра, возможно, уже были обнаружены, и в конечном итоге будет обнаружено более 90 процентов ОСЗ диаметром более 140 метров, исследования ОСЗ, тем не менее, следует продолжить, поскольку еще не обнаруженные объекты представляют собой статистический риск: человечество должно быть постоянно бдительным.

Обнаружение: Несмотря на прогресс или завершение любого исследования околоземных объектов, невозможноидентифицировать все эти объекты, потому что орбиты объектов могут измениться, например, из-за столкновений.

Рекомендация: после того, как обследование объектов, сближающихся с Землей, достигнет поставленной цели, поиск ОСЗне должен прекращаться. При поиске следует продолжить идентификацию как можно большего числа оставшихся объектов и объектов, вновьвведенных в популяцию ОСЗ, особенно неизбежных ударныхобъектов.

УСИЛИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

Признавая, что столкновения с объектами, сближающимися с Землей, представляют опасность для человечества, Соединенные Штаты, Европейский Союз, Япония и другие страны объединились для выявления, отслеживания и изучения ОСЗ в рамках инициативы, получившей название «Космическая стража». Из этой организации была создана некоммерческая группа под названием Spaceguard Foundation для координации обнаружения и исследований ОСЗ; В настоящее время он находится в Центре наблюдения Земли (ESRIN) Европейского космического агентства (ESRIN) во Фраскати, Италия. Вклад Соединенных Штатов в эти коллективные усилия включает три аспекта: усилия телескопического поиска для поиска ОСЗ, Центр малых планет (ЦМП) в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики и программный офис НАСА по ОСЗ в Лаборатории реактивного движения. Существующие, списанные и предлагаемые телескопические системы для поисков ОСЗ США подробно описаны ниже.Другие усилия по телескопической съемке, обнаружению и описанию характеристик проводятся во всем мире и работают совместно с телескопическими поисками в США (например, Asiago-DLR Asteroid Survey, совместно управляемым Университетом Падуи и Немецким аэрокосмическим центром [DLR], объектом, сближающимся с Землей Campo Imperatore Обзор в Римской обсерватории и в Центре космической стражи Бисей Японской ассоциации космических стражей). На сегодняшний день поисковые работы США вносят основной вклад в количество известных ОСЗ. Функции двух американских офисов по сбору данных и информации, MPC и NEO Program Office, дополняют друг друга. Европейский офис по сбору данных и информации, динамический сайт объектов, сближающихся с Землей (NEODyS), находится в Пизанском университете в Италии, с зеркальным сайтом в Университете Вальядолида в Испании.Эти три услуги описаны ниже.

Центр малых планет

MPC служит центром обмена позиционной информацией от наблюдателей малых планет (включая все астероиды) со всех обсерваторий по всему миру. MPC отвечает за обработку и публикацию всех измерений положения астероидов, комет и внешних спутников планет Юпитера по всему миру. Его усилия одобрены Международным астрономическим союзом (МАС), международным профессиональным сообществом астрономов. IAU предоставляет рекомендации, но в настоящее время оказывает лишь незначительную финансовую поддержку MPC. Текущие усилия MPC поддерживаются в основном программой НАСА по объектам, сближающимся с Землей, с гораздо меньшим вкладом Смитсоновского института.

По состоянию на декабрь 2008 года в базе данных MPC было 59 миллионов наблюдений более чем 435 000 малых тел, а во второй базе данных - более 10 миллионов наблюдений за объектами, не имеющими или не имеющими полной орбитальной информации. MPC получает ежедневные наблюдения за небольшими телами. MPC сначала идентифицирует новые наблюдения с известными объектами или определяет, что объект новый. Все орбиты идентифицированных объектов обновляются и улучшаются ежедневно. Большая часть, но не все, обработка MPC теперь автоматизирована. Наблюдения за ОСЗ становятся общедоступными менее чем через 24 часа после их обнаружения; Для обработки наблюдений комет может потребоваться до недели, и они в значительной степени не автоматизированы (Spahr, 2008).

Все наблюдения, полученные в результате съемок ОСЗ, регулярно проверяются на предмет потенциальных ОСЗ. Теперь этот процесс автоматизирован: на основе его орбиты любому новому открытию присваивается код вероятности принадлежности к ОСЗ. Новые возможные ОСЗ размещаются на странице подтверждения веб-NEO (NEOCP), чтобы облегчить последующие наблюдения в течение нескольких минут после публикации. Обновление NEOCP выполняется автоматически на 95 процентов; данные и расчетные орбиты общедоступны.

Недавние обновления компьютерного оборудования позволяют MPC рассчитывать десятки тысяч улучшений орбиты в день. Также был установлен доступ к суперкластеру из 1000+ узлов, управляемому Смитсоновским институтом, и MPC закупает узлы для этого компьютера. В настоящее время MPC может обрабатывать большие объемы данных, ожидаемых в ближайшем будущем от программ обнаружения ОСЗ с использованием более крупных телескопов.

Офис программы по объектам, сближающимся с Землей

Офис программы по объектам, сближающимся с Землей, работает в Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА; ему поручено координировать программу наблюдений за ОСЗ для НАСА. Этот офис полностью финансируется НАСА и хранит доступную в Интернете информацию об ОСЗ, включая их сближение с Землей, а также статистику открытия ОСЗ.

Офис программы NEO также поддерживает автоматизированное программное обеспечение Sentry, систему мониторинга столкновений, которая постоянно сканирует самые свежие данные об орбите астероидов на предмет объектов, которые могут столкнуться с Землей в ближайшие 100 лет. Когда потенциальный ударник обнаружен, его будущая орбита рассчитывается вместе с его неопределенностью, и результаты публикуются в таблице рисков Sentry на веб-сайте NEO Program Office.

Динамический сайт околоземных объектов

NEODyS поддерживает доступную в Интернете информацию об ОСЗ, включая орбиты, информационную базу данных, отсортированную по отдельным ОСЗ, и оценку риска возможного воздействия. NEODyS поддерживается в Университете Пизы, Италия, с сайтом зеркального отображения в Университете Вальядолида, Испания, чтобы гарантировать, что информация всегда доступна для пользователей.

Прошлые усилия по открытию околоземных объектов

Исследования и обнаружение ОСЗ прошли несколько этапов. Значительному первоначальному прогрессу в усилиях по идентификации популяции ОСЗ в значительной степени способствовали плодотворные усилия, предпринятые во многих различных системах телескопов. Однако размер ОСЗ, которые могут быть обнаружены, зависит от размеров телескопов и их оптики, камер и программного обеспечения для обнаружения, а также от стратегии наблюдений групп, выполняющих поиск. В последние годы некоторые предыдущие программы обследований ОСЗ завершились или постепенно прекращаются, поскольку стали проводиться обследования, более способные обнаруживать ОСЗ меньшего диаметра, и акцент на обнаружении сместился на объекты со все меньшим диаметром. Эти предыдущие обзоры, Программа поиска объектов, сближающихся с Землей, обсерватории Лоуэлла (LONEOS) и Программа слежения за астероидами, сближающимися с Землей (NEAT),описаны ниже.

Обсерватория Лоуэлла Поиск объектов, сближающихся с Землей

LONEOS, управляемый обсерваторией Лоуэлла, имел возможность ежемесячно сканировать все небо, доступное из Флагстаффа, штат Аризона. Телескоп диаметром 0,6 метра мог регистрировать объекты примерно 100000 раз.

(12,5 звездной величины) слабее, чем можно увидеть невооруженным глазом. Проект, финансируемый НАСА, начался в 1993 году и был завершен в конце февраля 2008 года. LONEOS обнаружил 288 ОСЗ.

Отслеживание околоземных астероидов

Программа слежения за околоземными астероидами началась в 1995 году и первоначально была совместным усилием НАСА, Лаборатории реактивного движения и ВВС США. Первоначально эта программа преобразовала наземный электрооптический телескоп дальнего космоса (GEODSS) диаметром 1 метр на Халеакала, Мауи, Гавайи, в первый в мире полностью автоматизированный телескоп для поиска астероидов. Работа телескопа GEODSS завершилась в 1999 году. В 2000 году в рамках программы NEAT было завершено преобразование телескопа системы наблюдения за космосом Мауи диаметром 1,2 метра на Халеакале и преобразования телескопа Ошин диаметром 1,2 метра на горе Паломар. Калифорния, чтобы стать полностью автоматизированным и искать ОСЗ. NEAT прекратил работу в 2007 году после обнаружения более 20 000 объектов, около 430 из которых были ОСЗ.

НАСТОЯЩИЕ УСИЛИЯ ПО ОТКРЫТИЮ ПРИЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

В 2005 г. действовали пять программ обнаружения ОСЗ: Catalina Sky Survey (CSS); программа Линкольна по исследованию астероидов, сближающихся с Землей (LINEAR); и Spacewatch, а также LONEOS и NEAT. Сегодня работают только CSS, программа LINEAR и Spacewatch. Эти три программы обнаружения ОСЗ в первую очередь касаются обвинения Конгресса в обнаружении 90 процентов ОСЗ диаметром до 1 километра.

Обзор неба Каталины

Из трех действующих в настоящее время поисковых программ CSS обнаруживает NEO с максимальной скоростью. CSS - это система из трех телескопов, расположенных в обсерватории Маунт-Леммон в Аризоне, обсерватории Каталина также в Аризоне и обсерватории Сайдинг-Спринг в Австралии (все они финансируются НАСА). Обсерватория Маунт-Леммон - самый большой и наиболее производительный из этих телескопов, с зеркалом диаметром 1,5 метра и полем зрения 1,2 квадратных градуса, что позволяет обнаруживать астероиды с такой слабостью, как M = 22 (т. Е. 22-я абсолютная звездная величина в визуальная полоса; см. Приложение E). На объекте Сайдинг-Спринг есть телескоп диаметром 0,5 метра для открытий. В обсерватории Каталины находится оригинальный телескоп CSS с зеркалом диаметром 0,7 метра. Эти телескопы работают вместе, чтобы проводить длительные и высокопроизводительные поиски ОСЗ.Поскольку две из этих обсерваторий работают на противоположной стороне Земли от третьей, наблюдение за вновь обнаруженным объектом в ту же ночь обычно может быть выполнено, что облегчает быстрое определение его орбиты и, таким образом, оценку опасности, исходящей от объекта. объект. Действительно, этот метод наблюдения позволил CSS обнаружить астероид 2008 TC.3 , и определить, что он ударит по Судану в течение 19 часов. При анализе наблюдений в CSS задействован человек-оператор, который может обнаруживать слабые движущиеся объекты, которые могут быть пропущены текущими версиями автоматизированного программного обеспечения. CSS обнаружил более 2400 ОСЗ.

Линкольнская программа исследования астероидов, сближающихся с Землей

Программа LINEAR в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института финансируется ВВС США и НАСА и была самой успешной программой поиска ОСЗ с 1997 по 2004 год. Цель LINEAR - продемонстрировать применение технологии, первоначально разработанной для наблюдения за космическими объектами. Спутники на околоземной орбите для обнаружения и каталогизации ОСЗ. LINEAR состоит из пары телескопов GEODSS на экспериментальном полигоне лаборатории Линкольна на ракетном полигоне Уайт-Сэндс в Сокорро, штат Нью-Мексико. К этим двум телескопам диаметром 1 метр в конечном итоге присоединился третий телескоп, который использовался для подтверждения орбит ОСЗ, и он смог обнаруживать астероиды с такой слабой силой, как M = 20. LINEAR обнаружил 2210 ОСЗ, на долю которых приходится более 50 процентов всех ОСЗ. открытия с 1998 по 2004 год. В 2005 году,Скорость открытий, сделанная Catalina Sky Survey, существенно увеличилась и превысила скорость LINEAR.

Spacewatch

Spacewatch была одной из первых систем обнаружения ОСЗ, созданной в 1981 году и управляемой Аризонским университетом. Регулярное обнаружение астероидов и комет началось в 1984 году с телескопа диаметром 0,9 метра на Китт-Пике, штат Аризона, и относительно небольшого устройства с зарядовой связью (ПЗС) (см. Приложение E), формирующего изображения. Модернизация, проведенная в 1989 году, увеличила поле зрения и привела к тому, что Spacewatch впервые обнаружила ОСЗ. Автоматизированное программное обеспечение для идентификации и обнаружения ОСЗ было внедрено в 1990 году; это был первый случай использования автоматизированного программного обеспечения в реальном времени для обнаружения движущихся космических объектов, и это доказало эффективность такого программного обеспечения. В 2001 году к программе был добавлен второй телескоп диаметром 1,8 метра. Меньший телескоп Spacewatch обычно обнаруживает ОСЗ ярче, чем M = 21, в поле зрения 2,9 квадратных градуса.тогда как более крупный телескоп потенциально может обнаруживать такие слабые ОСЗ, как M = 23, в поле зрения 0,7 квадратных градуса. Более крупный телескоп в основном используется для восстановления ранее обнаруженных более слабых ОСЗ с целью подтверждения их орбит; телескоп меньшего размера использовался в основном для исследований по обнаружению ОСЗ. Spacewatch обнаружил более 700 ОСЗ. Программа Spacewatch предвидит переход от проведения открывающих наблюдений к роли восстановления и определения характеристик по мере того, как в сети появятся более мощные опросы.Spacewatch обнаружил более 700 ОСЗ. Программа Spacewatch предвидит переход от проведения открывающих наблюдений к роли восстановления и определения характеристик по мере того, как в сети появятся более мощные опросы.Spacewatch обнаружил более 700 ОСЗ. Программа Spacewatch предвидит переход от проведения открывающих наблюдений к роли восстановления и определения характеристик по мере появления более мощных исследований.

ТЕКУЩИЕ УСИЛИЯ ПО КОСМИЧЕСКОМУ ОБНАРУЖЕНИЮ

Ни одна страна не имела и в настоящее время не управляет космической обсерваторией, посвященной обнаружению и / или характеристике ОСЗ. Однако планируется запуск космических обсерваторий, которые помогут обнаружить и / или охарактеризовать ОСЗ, особенно из-за чувствительности телескопов обсерваторий к инфракрасному свету, как объясняется ниже.

Астероиды на орбитах, приближающих их к Земле, особенно опасны, если они темные и не могут быть обнаружены наземными исследованиями в видимом свете. Кроме того, поскольку предполагаемое альбедо может не соответствовать темному объекту, расчетный диаметр может быть неверно представлен как меньший, чем истинный диаметр объекта. Но темные объекты особенно заметны в инфракрасном свете. Предубеждение против астероидов с более низким альбедо (более темных) уменьшается за счет использования инфракрасных наблюдений в космосе: при температурах и альбедо, которые доминируют в солнечной системе внутри орбиты Марса, диаметры, вычисленные по инфракрасным сигналам, более точны, чем диаметры, полученные из отражения видимого света от астероидов и комет. Таким образом,обнаружение потенциально опасных ОСЗ инфракрасным телескопом (чувствительным к инфракрасному свету) приведет к более точному распределению частот по размеру для этих объектов. Кроме того, фон от других астрономических источников примерно в 100 раз ниже на инфракрасных длинах волн 10 микрон (микрон - одна миллионная метра), чем на видимых длинах волн, поскольку большинство звезд излучают гораздо меньше инфракрасного света, чем видимый свет. Это различие снижает вероятность помех от других сильных астрономических источников. В сочетании с данными в видимом свете можно также определить альбедо ОСЗ, обнаруженных в инфракрасном диапазоне. Этот вывод альбедо дает представление о составе и свойствах поверхности. Широкоугольный инфракрасный обозреватель объектов, сближающихся с Землей (NEOWISE), американская миссия (см. Ниже), будет использовать это инфракрасное преимущество.

Канада и Германия строят космические корабли (см. Ниже), которые могут способствовать открытию ОСЗ, особенно тех, чьи орбиты частично или полностью находятся внутри орбиты Земли. Эти ОСЗ менее доступны для наблюдения с помощью наземных телескопов, поскольку они расположены так близко к Солнцу, как видно с Земли. Поиск ОСЗ с орбит, на которых космический аппарат может быть расположен для наблюдения за объектами, в то время как космический аппарат не направлен на Солнце, является преимуществом для наблюдения ОСЗ, орбиты которых в основном находятся внутри орбиты Земли. Однако ни одна миссия не обнаружит более слабых или меньших объектов, чем те, которые обнаруживаются наземными телескопами.

Широкопольный инфракрасный обозреватель объектов, сближающихся с Землей (NEOWISE)

Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) - это космический аппарат НАСА, запущенный в декабре 2009 года. WISE произведет высокочувствительный обзор всего неба в четырех инфракрасных диапазонах длин волн с центрами 3,3, 4,7, 12 и 23 микрона. Он предоставит каталог источников и откалиброванный атлас изображений с зарегистрированной позицией. Используя охлаждаемый телескоп с апертурой 0,4 метра и всегда смотрящий на Солнце под углом 90 градусов, WISE будет