La Prueba de Redirección de Doble Asteroide ( DART ) fue una misión espacial de la NASA destinada a probar un método de defensa planetaria contra objetos cercanos a la Tierra (NEO). [4] [5] Fue diseñada para evaluar cuánto desvía el impacto de una nave espacial a un asteroide a través de su transferencia de momento al golpear el asteroide de frente. [6] El asteroide objetivo seleccionado, Dimorphos , es una luna planetaria menor del asteroide Didymos ; ninguno de los asteroides representa una amenaza de impacto para la Tierra, pero sus características conjuntas los convirtieron en un objetivo de referencia ideal. Lanzada el 24 de noviembre de 2021, la nave espacial DART colisionó con éxito con Dimorphos el 26 de septiembre de 2022 a las 23:14 UTC a unos 11 millones de kilómetros (6,8 millones de millas ; 0,074 unidades astronómicas ; 29 distancias lunares ) de la Tierra. La colisión acortó la órbita de Dimorphos en 32 minutos, muy por encima del umbral de éxito predefinido de 73 segundos. [7] [8] [9] El éxito de DART en desviar a Dimorphos se debió a la transferencia de momento asociada con el retroceso de los escombros expulsados, que fue sustancialmente mayor que el causado por el impacto en sí. [10]
DART fue un proyecto conjunto entre la NASA y el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins . El proyecto fue financiado a través de la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria de la NASA , administrada por la Oficina del Programa de Misiones Planetarias de la NASA en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales , y varios laboratorios y oficinas de la NASA brindaron apoyo técnico . La Agencia Espacial Italiana contribuyó con LICIACube , un CubeSat que fotografió el evento de impacto, y otros socios internacionales, como la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA), están contribuyendo a proyectos relacionados o posteriores. [11]
La NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) comenzaron con planes individuales para misiones para probar estrategias de desviación de asteroides , pero en 2015, llegaron a una colaboración llamada AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment) que implicaba dos lanzamientos de naves espaciales separados que funcionarían en sinergia. [12] [13] [14] Según esa propuesta, la Misión Europea de Impacto de Asteroides (AIM) se habría lanzado en diciembre de 2020 y la DART en julio de 2021. La AIM habría orbitado el asteroide más grande para estudiar su composición y la de su luna. Luego, la DART impactaría cinéticamente la luna del asteroide el 26 de septiembre de 2022, durante un acercamiento a la Tierra. [13]
Sin embargo, el orbitador AIM fue cancelado y luego reemplazado por Hera , que planea comenzar a observar el asteroide cuatro años después del impacto de DART. Por lo tanto, se tuvo que obtener un seguimiento en vivo del impacto de DART desde telescopios terrestres y radares . [15] [14]
En junio de 2017, la NASA aprobó pasar del desarrollo del concepto a la fase de diseño preliminar, [16] y en agosto de 2018 el inicio de la fase final de diseño y ensamblaje de la misión. [17] El 11 de abril de 2019, la NASA anunció que se utilizaría un Falcon 9 de SpaceX para lanzar DART. [18]
El impacto de un satélite sobre un cuerpo pequeño del Sistema Solar ya se había llevado a cabo una vez, por la sonda espacial Deep Impact de la NASA, de 372 kilogramos (820 libras), y con un propósito completamente diferente (el análisis de la estructura y composición de un cometa). En el impacto, Deep Impact liberó 19 gigajulios de energía (el equivalente a 4,8 toneladas de TNT ) [19] y excavó un cráter de hasta 150 metros (490 pies) de ancho. [20]
La nave espacial DART era un impactador con una masa de 610 kilogramos (1.340 libras) [21] que no albergaba ninguna carga científica y tenía sensores solo para la navegación. La nave espacial costó 330 millones de dólares cuando chocó con Dimorphos en 2022. [22]
Los sensores de navegación de DART incluían un sensor solar , un rastreador de estrellas llamado software SMART Nav (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation), [23] y una cámara de 20 centímetros (7,9 pulgadas) de apertura llamada Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation (DRACO). DRACO se basaba en el Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) a bordo de la nave espacial New Horizons , y apoyaba la navegación autónoma para impactar la luna del asteroide en su centro. La parte óptica de DRACO era un telescopio Ritchey-Chrétien con un campo de visión de 0,29° y una longitud focal de 2,6208 m (f/12,60). La resolución espacial de las imágenes tomadas inmediatamente antes del impacto era de alrededor de 20 centímetros por píxel. El instrumento tenía una masa de 8,66 kilogramos (19,1 lb). [24]
El detector utilizado en la cámara era un sensor de imagen CMOS de 2.560 × 2.160 píxeles . El detector registra el rango de longitud de onda de 0,4 a 1 micrón (visible e infrarrojo cercano). En LORRI se utilizó un detector CMOS comercial en lugar de un dispositivo acoplado por carga personalizado . El rendimiento del detector de DRACO en realidad igualó o superó al de LORRI debido a las mejoras en la tecnología de sensores en la década que separó el diseño de LORRI y DRACO. [25] Las imágenes de DRACO , alimentadas a una computadora de a bordo con software derivado de la tecnología antimisiles , ayudaron a DART a guiarse de manera autónoma hacia su colisión. [26]
Utilizando ROSA como estructura, se configuró una pequeña porción del conjunto solar DART para demostrar la tecnología de conjunto solar transformacional , que tiene células solares metamórficas invertidas SolAero (IMM) de muy alta eficiencia y concentradores reflectantes que proporcionan tres veces más energía que otras tecnologías de conjunto solar disponibles. [28]
La nave espacial DART fue la primera nave espacial en utilizar un nuevo tipo de antena de comunicación de alta ganancia, una matriz de ranuras radiales en espiral (RLSA). La antena polarizada circularmente operaba en las frecuencias de banda X de la Red de Espacio Profundo de la NASA (NASA DSN) de 7,2 y 8,4 GHz , y tenía una ganancia de 29,8 dBi en el enlace descendente y 23,6 dBi en el enlace ascendente. La antena fabricada en forma plana y compacta superó los requisitos dados y se probó en entornos que dieron como resultado un diseño TRL -6. [29]
DART demostró el propulsor iónico en rejilla NEXT , un tipo de propulsión eléctrica solar . [15] [30] Fue alimentado por paneles solares de 22 metros cuadrados (240 pies cuadrados) para generar los aproximadamente 3,5 kW necesarios para alimentar el motor NEXT-C (propulsor evolutivo de xenón comercial) de la NASA. [31] Las primeras pruebas del propulsor iónico revelaron un modo de reinicio que inducía una corriente más alta (100 A) en la estructura de la nave espacial de lo esperado (25 A). Se decidió no usar más el propulsor iónico ya que la misión podría lograrse sin él, utilizando propulsores convencionales alimentados por los 50 kilogramos (110 lb) de hidracina a bordo. [32] Sin embargo, los propulsores iónicos permanecieron disponibles si era necesario lidiar con contingencias, y si DART no hubiera alcanzado su objetivo, el sistema iónico podría haber devuelto a DART a Dimorphos dos años después. [33]
La Agencia Espacial Italiana (ASI) contribuyó con una nave espacial secundaria llamada LICIACube ( Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids ), un pequeño CubeSat que se montó en el DART y se separó el 11 de septiembre de 2022, 15 días antes del impacto. Adquirió imágenes del impacto y del material eyectado a medida que pasaba por el asteroide. [34] [35] LICIACube se comunicó directamente con la Tierra, enviando imágenes del material eyectado después del sobrevuelo de Dimorphos. [36] [37] LICIACube está equipado con dos cámaras ópticas , denominadas LUKE y LEIA. [38]
La nave espacial chocó contra Dimorphos en dirección opuesta a la del asteroide, por lo que, tras el impacto, la velocidad orbital instantánea de Dimorphos se redujo ligeramente, lo que redujo el radio de su órbita alrededor de Didymos. La trayectoria de Didymos también se modificó, pero en proporción inversa a la relación entre su masa y la masa mucho menor de Dimorphos, por lo que no fue mucho. El cambio de velocidad y el desplazamiento orbital reales dependieron de la topografía y la composición de la superficie, entre otras cosas. La contribución del momento de retroceso de los materiales expulsados por el impacto produce un efecto de "mejora del momento" poco predecible. [39] Antes del impacto, se estimó que el momento transferido por DART al fragmento restante más grande del asteroide era de hasta 3 a 5 veces el momento del incidente, dependiendo de cuánto y a qué velocidad se expulsaría material del cráter de impacto. Obtener mediciones precisas de ese efecto era uno de los principales objetivos de la misión y ayudará a refinar los modelos de futuros impactos en asteroides. [40]
El impacto de DART excavó materiales de la superficie y el subsuelo de Dimorphos, lo que llevó a la formación de un cráter y/o a una remodelación de cierta magnitud (es decir, un cambio de forma sin una pérdida significativa de masa). Es posible que parte de la eyección finalmente impactara en la superficie de Didymos. Si la energía cinética entregada a su superficie fue lo suficientemente alta, es posible que también se haya producido una remodelación en Didymos, dada su velocidad de giro cercana a la de ruptura rotacional. La remodelación en cualquiera de los cuerpos habría modificado su campo gravitatorio mutuo, lo que llevó a un cambio de período orbital inducido por la remodelación, además del cambio de período orbital inducido por el impacto. Si no se tuvo en cuenta, esto podría haber llevado posteriormente a una interpretación errónea del efecto de la técnica de deflexión cinética. [41]
El LICIACube, el telescopio espacial Hubble [42] [36] , el telescopio espacial James Webb y el observatorio terrestre ATLAS detectaron la columna de eyección del impacto de DART. [43] [44] El 26 de septiembre, SOAR observó que la estela de impacto visible tenía más de 10 000 kilómetros (0,026 LD; 6200 mi) de largo. [45] Se esperaban estimaciones iniciales del cambio en el período de la órbita binaria dentro de una semana y con los datos publicados por LICIACube. [46] La ciencia de la misión de DART depende de un cuidadoso monitoreo desde la Tierra de la órbita de Dimorphos durante los días y meses posteriores. Dimorphos era demasiado pequeño y estaba demasiado cerca de Didymos para que casi cualquier observador lo viera directamente, pero su geometría orbital es tal que transita Didymos una vez en cada órbita y luego pasa detrás de él media órbita después. Cualquier observador que pueda detectar el sistema Didymos, por lo tanto, ve el sistema oscurecerse y brillar nuevamente cuando los dos cuerpos se cruzan.
El impacto se planeó para un momento en el que la distancia entre Didymos y la Tierra es mínima, lo que permite que muchos telescopios hagan observaciones desde muchas ubicaciones. El asteroide estuvo cerca de la oposición y fue visible en lo alto del cielo nocturno hasta bien entrado el año 2023. [47] El cambio en la órbita de Dimorphos alrededor de Didymos fue detectado por telescopios ópticos que observaban eclipses mutuos de los dos cuerpos a través de la fotometría en el par Dimorphos-Didymos. Además de las observaciones de radar, confirmaron que el impacto acortó el período orbital de Dimorphos en 32 minutos. [48] Con base en el período orbital binario acortado, se determinó la reducción instantánea en el componente de velocidad de Dimorphos a lo largo de su trayectoria orbital, lo que indicó que se transfirió sustancialmente más impulso a Dimorphos desde el material expulsado del impacto que desde el impacto mismo. De esta manera, el impacto cinético de DART fue altamente efectivo para desviar a Dimorphos. [10]
En un proyecto de colaboración, la Agencia Espacial Europea ha desarrollado Hera , una nave espacial que se lanzó a Didymos en octubre de 2024 [34] [49] [50] y está previsto que llegue en 2026 [51] [52] para realizar un reconocimiento y una evaluación detallados. [50] Hera lleva dos CubeSats , Milani y Juventas . [50]
El objetivo de la misión era Dimorphos en el sistema 65803 Didymos, un sistema binario de asteroides en el que un asteroide está orbitado por otro más pequeño. El asteroide principal (Didymos A) tiene unos 780 metros (2560 pies) de diámetro; la luna asteroide Dimorphos (Didymos B) tiene unos 160 metros (520 pies) de diámetro en una órbita a aproximadamente 1 kilómetro (0,62 millas) del primario. [15] La masa del sistema Didymos se estima en 528 mil millones de kg, de los cuales Dimorphos comprende 4800 millones de kg. [21] La elección de un sistema binario de asteroides es ventajosa porque los cambios en la velocidad de Dimorphos se pueden medir observando cuándo Dimorphos pasa posteriormente por delante de su compañero, lo que provoca una caída de la luz que se puede ver con los telescopios terrestres. Dimorphos también fue elegido debido a su tamaño apropiado; está en el rango de tamaño de los asteroides que uno querría desviar, si estuvieran en curso de colisión con la Tierra. Además, el sistema binario estaba relativamente cerca de la Tierra en 2022, a unos 7 millones de millas (0,075 unidades astronómicas; 29 distancias lunares; 11 millones de kilómetros). [59] El sistema Didymos no es un asteroide que cruce la Tierra , y no hay posibilidad de que el experimento de desviación pueda crear un peligro de impacto. [60] El 4 de octubre de 2022, Didymos realizó una aproximación a la Tierra de 10,6 unidades astronómicas (4100 distancias lunares; 1590 millones de kilómetros; 990 millones de millas). [61]
Los preparativos para el lanzamiento de DART comenzaron el 20 de octubre de 2021, cuando la nave espacial comenzó a cargar combustible en la Base de la Fuerza Espacial Vandenberg (VSFB) en California. [62] La nave espacial llegó a Vandenberg a principios de octubre de 2021 después de un viaje por todo el país. Los miembros del equipo de DART prepararon la nave espacial para el vuelo, probando los mecanismos y el sistema eléctrico de la nave espacial, envolviendo las partes finales en mantas aislantes multicapa y practicando la secuencia de lanzamiento tanto desde el sitio de lanzamiento como desde el centro de operaciones de la misión en APL. DART se dirigió a la Instalación de Procesamiento de Carga Útil de SpaceX en VSFB el 26 de octubre de 2021. Dos días después, el equipo recibió luz verde para llenar el tanque de combustible de DART con aproximadamente 50 kilogramos (110 libras) de propulsor de hidracina para las maniobras de la nave espacial y el control de actitud. DART también transportaba alrededor de 60 kilogramos (130 libras) de xenón para el motor de iones NEXT-C. Los ingenieros cargaron el xenón antes de que la nave espacial abandonara APL a principios de octubre de 2021. [63]
A partir del 10 de noviembre de 2021, los ingenieros acoplaron la nave espacial al adaptador que se apila en la parte superior del vehículo de lanzamiento Falcon 9 de SpaceX. El cohete Falcon 9 sin el carenado de carga útil rodó para un disparo estático y luego regresó a la instalación de procesamiento nuevamente, donde los técnicos de SpaceX instalaron las dos mitades del carenado alrededor de la nave espacial en el transcurso de dos días, el 16 y el 17 de noviembre, dentro de la Instalación de Procesamiento de Carga Útil de SpaceX en la Base de la Fuerza Espacial Vandenberg y los equipos de tierra completaron una exitosa Revisión de Preparación para el Vuelo más tarde esa semana con el carenado luego conectado al cohete. [64]
Un día antes del lanzamiento, el vehículo de lanzamiento salió del hangar y se dirigió a la plataforma de lanzamiento del Complejo de Lanzamiento Espacial Vandenberg 4 (SLC-4E); desde allí, despegó para comenzar el viaje de DART al sistema Didymos e impulsó la nave espacial al espacio. [63]
La nave espacial DART fue lanzada el 24 de noviembre de 2021 a las 06:21:02 UTC .
Los primeros planes sugirieron que DART se desplegaría en una órbita terrestre de gran altitud y alta excentricidad diseñada para evitar la Luna . En tal escenario, DART usaría su motor iónico NEXT de bajo empuje y alta eficiencia para escapar lentamente de su órbita terrestre alta a una órbita solar cercana a la Tierra ligeramente inclinada, desde donde maniobraría hacia una trayectoria de colisión con su objetivo. Pero debido a que DART se lanzó como una misión dedicada del Falcon 9 , la carga útil junto con la segunda etapa del Falcon 9 se colocó directamente en una trayectoria de escape de la Tierra y en órbita heliocéntrica cuando la segunda etapa se volvió a encender para un segundo arranque del motor o quema de escape. Por lo tanto, aunque DART lleva un propulsor eléctrico primero en su tipo y mucho combustible de xenón, Falcon 9 hizo casi todo el trabajo, dejando que la nave espacial realizara solo unas pocas quemas de corrección de trayectoria con propulsores químicos simples mientras se dirigía a la luna Dimorphos de Didymos. [65]
La fase de tránsito antes del impacto duró unos 9 meses. Durante su viaje interplanetario , la sonda espacial DART realizó un sobrevuelo distante del asteroide cercano a la Tierra de 578 metros (1896 pies) de diámetro (138971) 2001 CB21 en marzo de 2022. [66] DART pasó a 0,117 unidades astronómicas (46 distancias lunares; 17,5 millones de kilómetros; 10,9 millones de millas) de 2001 CB 21 en su aproximación más cercana el 2 de marzo de 2022. [67]
La cámara DRACO de DART abrió su compuerta de apertura y tomó su primera imagen de luz de algunas estrellas el 7 de diciembre de 2021, cuando se encontraba a 2 millones de millas (0,022 unidades astronómicas; 8,4 distancias lunares; 3,2 millones de kilómetros) de la Tierra. [68] Las estrellas en la primera imagen de luz de DRACO se utilizaron como calibración para el apuntado de la cámara antes de que pudiera usarse para obtener imágenes de otros objetivos. [68] El 10 de diciembre de 2021, DRACO fotografió el cúmulo abierto Messier 38 para una calibración óptica y fotométrica adicional . [68]
El 27 de mayo de 2022, DART observó la brillante estrella Vega con DRACO para probar la óptica de la cámara con luz dispersa. [69] El 1 de julio y el 2 de agosto de 2022, el sensor de imágenes DRACO de DART observó a Júpiter y su luna Europa emergiendo detrás del planeta, como una prueba de rendimiento para el sistema de seguimiento SMART Nav para prepararse para el impacto de Dimorphos. [70]
Dos meses antes del impacto, el 27 de julio de 2022, la cámara DRACO detectó el sistema Didymos a aproximadamente 32 millones de kilómetros (0,21 unidades astronómicas; 83 distancias lunares; 20 millones de millas) de distancia y comenzó a refinar su trayectoria. El nanosatélite LICIACube fue liberado el 11 de septiembre de 2022, 15 días antes del impacto. [71] Cuatro horas antes del impacto, a unos 90.000 kilómetros (0,23 LD; 56.000 mi) de distancia, DART comenzó a operar con total autonomía bajo el control de su sistema de guía SMART Nav . Tres horas antes del impacto, DART realizó un inventario de objetos cercanos al objetivo. Noventa minutos antes de la colisión, cuando DART estaba a 38.000 kilómetros (0,099 LD; 24.000 mi) de distancia de Dimorphos, se estableció la trayectoria final. [72] Cuando DART estaba a 24.000 kilómetros (0,062 LD; 15.000 mi) de distancia, Dimorphos se hizo discernible (1,4 píxeles) a través de la cámara DRACO, que luego continuó capturando imágenes de la superficie del asteroide y transmitiéndolas en tiempo real. [73]
DRACO fue el único instrumento capaz de proporcionar una vista detallada de la superficie de Dimorphos. El uso de los propulsores de DART provocó vibraciones en toda la nave espacial y los paneles solares, lo que dio lugar a imágenes borrosas. Para garantizar imágenes nítidas, la última corrección de trayectoria se ejecutó 4 minutos antes del impacto y los propulsores se desactivaron después. [73]
La última imagen completa, transmitida dos segundos antes del impacto, tiene una resolución espacial de unos 3 centímetros por píxel. El impacto tuvo lugar el 26 de septiembre de 2022, a las 23:14 UTC . [3]
El impacto frontal de la nave espacial DART de 500 kilogramos (1100 lb) [74] a 6,6 kilómetros por segundo (4,1 mi/s) [75] probablemente impartió una energía de aproximadamente 11 gigajulios , el equivalente a aproximadamente tres toneladas de TNT , [76] y se esperaba que redujera la velocidad orbital de Dimorphos entre1,75 cm/s y2,54 cm/s , dependiendo de numerosos factores como la porosidad del material . [77] La reducción de la velocidad orbital de Dimorphos lo acerca a Didymos, lo que hace que la luna experimente una mayor aceleración gravitacional y, por lo tanto, un período orbital más corto. [13] [60] [78] La reducción del período orbital por el impacto frontal sirve para facilitar las observaciones terrestres de Dimorphos. Un impacto en el lado posterior del asteroide aumentaría su período orbital hacia las 12 horas y lo haría coincidir con el ciclo de día y noche de la Tierra, lo que limitaría a cualquier telescopio terrestre para observar todas las fases orbitales de Dimorphos durante la noche. [47]
El factor de mejora del momento medido (llamado beta) del impacto de DART contra Dimorphos fue de 3,6, lo que significa que el impacto transfirió aproximadamente 3,6 veces más momento que si el asteroide simplemente hubiera absorbido la nave espacial y no hubiera producido material eyectado en absoluto, lo que indica que el material eyectado contribuyó más al movimiento del asteroide que la nave espacial. Esto significa que se podría utilizar un impactador más pequeño o tiempos de espera más cortos para producir una cierta desviación en un asteroide de lo que se esperaba anteriormente. El valor de beta depende de varios factores, composición, densidad, porosidad, etc. El objetivo es utilizar estos resultados y modelos para inferir cuál podría ser el valor beta para otro asteroide observando su superficie y posiblemente midiendo su densidad aparente. Los científicos estiman que el impacto de DART desplazó más de 1.000.000 kilogramos (2.200.000 libras) de material eyectado polvoriento al espacio, suficiente para llenar seis o siete vagones de tren . La cola de material eyectado de Dimorphos creada por el impacto de DART tiene al menos 30.000 kilómetros (0,078 LD; 19.000 mi) de largo con una masa de al menos 1.000 toneladas (980 toneladas largas; 1.100 toneladas cortas), y posiblemente hasta 10 veces esa cantidad. [79] [80]
El impacto de DART en el centro de Dimorphos redujo el período orbital, anteriormente de 11 horas y 52 minutos, en 33 ± 1 minutos. Este gran cambio indica que el retroceso del material excavado del asteroide y expulsado al espacio por el impacto (conocido como material eyectado) contribuyó a un cambio significativo de momento en el asteroide, más allá del de la propia nave espacial DART. Los investigadores descubrieron que el impacto causó una desaceleración instantánea en la velocidad de Dimorphos a lo largo de su órbita de aproximadamente 2,7 milímetros por segundo, lo que nuevamente indica que el retroceso de la eyección jugó un papel importante en la amplificación del cambio de momento impartido directamente al asteroide por la nave espacial. Ese cambio de momento se amplificó por un factor de 2,2 a 4,9 (dependiendo de la masa de Dimorphos), lo que indica que el cambio de momento transferido debido a la producción de material eyectado excedió significativamente el cambio de momento de la nave espacial DART sola. [81] Si bien el cambio orbital fue pequeño, el cambio es en la velocidad y con el transcurso de los años se acumulará hasta un gran cambio en la posición. [82] En el caso de un cuerpo hipotético que amenazara la Tierra, incluso un cambio tan minúsculo podría ser suficiente para mitigar o prevenir un impacto, si se aplica con la suficiente antelación. Como el diámetro de la Tierra es de unos 13.000 kilómetros, un impacto hipotético de un asteroide podría evitarse con un cambio de tan solo la mitad de ese diámetro (6.500 kilómetros).El cambio de velocidad de 2 cm/s se acumula en esa distancia en aproximadamente 10 años.
Al chocar contra el asteroide, DART convirtió a Dimorphos en un asteroide activo . Los científicos habían propuesto que algunos asteroides activos son el resultado de eventos de impacto, pero nadie había observado nunca la activación de un asteroide. La misión DART activó a Dimorphos en condiciones de impacto conocidas con precisión y observadas cuidadosamente, lo que permitió el estudio detallado de la formación de un asteroide activo por primera vez. [81] [83] Las observaciones muestran que Dimorphos perdió aproximadamente 1 millón de kilogramos de masa como resultado de la colisión. [22]
Telescopios de todo el mundo se centraron en la histórica colisión y revelaron una columna de impacto sorprendentemente grande y brillante.