NASAs Asteroid Impact Monitoring System der nächsten Generation geht online

Das neue System verbessert die Fähigkeiten von NASA JPL‘s Center for Near Earth Object Studies, um das Aufprallrisiko von Asteroiden zu bewerten, die unserem Planeten nahe kommen können.

Bis heute wurden fast 28.000 erdnahe Asteroiden (NEAs) von Durchmusterungsteleskopen gefunden, die kontinuierlich den Nachthimmel abtasten und mit einer Rate von etwa 3.000 pro Jahr neue Entdeckungen hinzufügen. Da jedoch größere und fortschrittlichere Durchmusterungsteleskope die Suche in den nächsten Jahren beschleunigen, wird ein rascher Anstieg der Entdeckungen erwartet. In Erwartung dieses Anstiegs haben NASA-Astronomen einen Aufprallüberwachungsalgorithmus der nächsten Generation namens Sentry-II entwickelt, um die Aufprallwahrscheinlichkeiten von NEA besser zu bewerten.

Die Populärkultur stellt Asteroiden oft als chaotische Objekte dar, die willkürlich um unser Sonnensystem herumflitzen, ihren Kurs unvorhersehbar ändern und unseren Planeten ohne Vorankündigung bedrohen. Dies ist nicht die Realität. Asteroiden sind extrem vorhersagbare Himmelskörper, die den Gesetzen der Physik gehorchen und erkennbaren Umlaufbahnen um die Sonne folgen.

Aber manchmal können diese Pfade der zukünftigen Position der Erde sehr nahe kommen, und aufgrund kleiner Unsicherheiten in den Positionen der Asteroiden kann ein zukünftiger Erdeinschlag nicht vollständig ausgeschlossen werden. Daher verwenden Astronomen eine ausgeklügelte Aufprallüberwachungssoftware, um das Aufprallrisiko automatisch zu berechnen.

Das Center for Near Earth Object Studies (CNEOS) wird vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet und berechnet jede bekannte NEA-Umlaufbahn, um die Aufprallgefahrenbewertungen zur Unterstützung des Planetary Defense Coordination Office (PDCO) der NASA zu verbessern. CNEOS hat das Auswirkungsrisiko von NEAs mit der Software Sentry überwacht, die 2002 von JPL entwickelt wurde.

„Die erste Version von Sentry war ein sehr leistungsfähiges System, das fast 20 Jahre lang in Betrieb war“, sagte Javier Roa Vicens, der während seiner Tätigkeit als Navigationsingenieur bei JPL die Entwicklung von Sentry-II leitete und kürzlich zu wechselte SpaceX. „Es basierte auf einer sehr klugen Mathematik: In weniger als einer Stunde konnte man die Einschlagswahrscheinlichkeit für einen neu entdeckten Asteroiden in den nächsten 100 Jahren zuverlässig berechnen – eine unglaubliche Leistung.“

Aber mit Sentry-II verfügt die NASA über ein Tool, das die Aufprallwahrscheinlichkeiten für alle bekannten NEAs schnell berechnen kann, einschließlich einiger Sonderfälle, die vom ursprünglichen Sentry nicht erfasst wurden. Sentry-II meldet die Objekte mit dem höchsten Risiko in der CNEOS Sentry Table.

Durch die systematische Berechnung von Aufprallwahrscheinlichkeiten auf diese neue Art und Weise haben die Forscher das Aufprallüberwachungssystem robuster gemacht, sodass die NASA alle potenziellen Auswirkungen mit einer Wahrscheinlichkeit von nur wenigen zu 10 Millionen souverän bewerten kann.

Sonderfälle

Wenn sich ein Asteroid durch das Sonnensystem bewegt, bestimmt die Anziehungskraft der Sonne die Bahn seiner Bahn, und die Schwerkraft der Planeten wird auch auf vorhersehbare Weise an seiner Bahn ziehen. Sentry modelliert mit hoher Präzision, wie diese Gravitationskräfte die Umlaufbahn eines Asteroiden geformt haben, und hilft dabei, vorherzusagen, wo sie sich weit in der Zukunft befinden wird. Aber es konnte keine nicht-gravitativen Kräfte erklären, die bedeutendsten waren die thermischen Kräfte, die durch die Sonnenwärme verursacht wurden.

Während sich ein Asteroid dreht, erwärmt Sonnenlicht die Tagseite des Objekts. Die erhitzte Oberfläche dreht sich dann zur schattigen Nachtseite des Asteroiden und kühlt ab. Beim Abkühlen wird Infrarotenergie freigesetzt, die einen winzigen, aber kontinuierlichen Schub auf den Asteroiden erzeugt. Dieses Phänomen ist als Yarkovsky-Effekt bekannt, der über kurze Zeiträume kaum Einfluss auf die Bewegung des Asteroiden hat, aber seinen Weg über Jahrzehnte und Jahrhunderte hinweg erheblich ändern kann.

Dieses Video erklärt, wie die Umlaufbahn des Asteroiden Bennu um die Sonne unter Berücksichtigung von Gravitations- und Nichtgravitationskräften bestimmt wurde, und hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie sich die Flugbahn des Asteroiden im Laufe der Zeit ändert. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

„Die Tatsache, dass Sentry den Yarkovsky-Effekt nicht automatisch verarbeiten konnte, war eine Einschränkung“, sagte Davide Farnocchia, Navigationsingenieur am JPL, der auch an der Entwicklung von Sentry-II beteiligt war. „Jedes Mal, wenn wir auf einen Sonderfall stießen – wie die Asteroiden Apophis, Bennu oder 1950 DA – mussten wir komplexe und zeitaufwändige manuelle Analysen durchführen. Mit Sentry-II müssen wir das nicht mehr tun.“

Mit dem Deep Space Network der NASA und modernsten Computermodellen konnten die Wissenschaftler die Unsicherheiten in Bennus Umlaufbahn deutlich verringern und die Gesamteinschlagswahrscheinlichkeit bis zum Jahr 2300 auf etwa 1 zu 1750 (oder 0,057 %) bestimmen. Die Forscher konnten auch den 24. September 2182 als das bedeutendste Einzeldatum in Bezug auf eine mögliche Auswirkung mit einer Auswirkungswahrscheinlichkeit von 1 zu 2.700 (oder etwa 0,037 %) identifizieren. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

Ein weiteres Problem mit dem ursprünglichen Sentry-Algorithmus war, dass er manchmal die Einschlagswahrscheinlichkeit von Asteroiden, die extrem nahe auf die Erde treffen, nicht genau vorhersagen konnte. Die Bewegung dieser NEAs wird durch die Schwerkraft unseres Planeten erheblich abgelenkt, und die Unsicherheiten der Umlaufbahn nach der Begegnung können dramatisch zunehmen. In diesen Fällen könnten die Berechnungen des alten Sentry fehlschlagen und ein manuelles Eingreifen erforderlich machen. Sentry-II hat diese Einschränkung nicht.

„In Zahlen ausgedrückt waren die Sonderfälle, die wir fanden, ein sehr kleiner Bruchteil aller NEAs, für die wir die Aufprallwahrscheinlichkeiten berechnen würden“, sagte Roa Vicens. „Aber wir werden noch viele weitere dieser Sonderfälle entdecken, wenn die geplante NEO Surveyor-Mission der NASA und das Vera-C.-Rubin-Observatorium in Chile online gehen, also müssen wir vorbereitet sein.“

Viele Nadeln, ein Heuhaufen

So werden Einschlagswahrscheinlichkeiten berechnet: Wenn Teleskope eine neue NEA verfolgen, messen Astronomen die beobachteten Positionen des Asteroiden am Himmel und melden sie an das Minor Planet Center. CNEOS verwendet diese Daten dann, um die wahrscheinlichste Umlaufbahn des Asteroiden um die Sonne zu bestimmen. Da es jedoch leichte Unsicherheiten bei der beobachteten Position des Asteroiden gibt, entspricht seine „wahrscheinlichste Umlaufbahn“ möglicherweise nicht seiner wahren Umlaufbahn. Die wahre Umlaufbahn befindet sich irgendwo in einem Unsicherheitsbereich, wie eine Wolke von Möglichkeiten, die die wahrscheinlichste Umlaufbahn umgibt.

Um zu beurteilen, ob ein Einschlag möglich ist, und um einzugrenzen, wo sich die wahre Umlaufbahn befinden könnte, würde der ursprüngliche Sentry einige Annahmen darüber treffen, wie sich die Unsicherheitsregion entwickeln könnte. Es würde dann einen Satz gleichmäßig beabstandeter Punkte entlang einer Linie auswählen, die den Unsicherheitsbereich überspannt. Jeder Punkt repräsentierte eine etwas andere mögliche aktuelle Position des Asteroiden.

Sentry würde dann die Uhr vorwärts drehen, beobachten, wie diese „virtuellen Asteroiden“ die Sonne umkreisen und sehen, ob sich in Zukunft einer der Erde nähert. Wenn dies der Fall ist, wären weitere Berechnungen erforderlich, um zu „vergrößern“, ob Zwischenpunkte auf die Erde einschlagen könnten, und wenn ja, die Einschlagswahrscheinlichkeit abzuschätzen.

Diese Animation zeigt ein Beispiel dafür, wie sich die Unsicherheiten in der Umlaufbahn eines erdnahen Asteroiden mit der Zeit entwickeln können. Nach der engen Begegnung eines solchen Asteroiden mit der Erde wird der Unsicherheitsbereich größer, was die Einschätzung zukünftiger Einschläge schwieriger macht. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Sentry-II hat eine andere Philosophie. Der neue Algorithmus modelliert Tausende von Zufallspunkten, die nicht durch irgendwelche Annahmen darüber eingeschränkt sind, wie sich der Unsicherheitsbereich entwickeln könnte; stattdessen wählt es zufällige Punkte im gesamten Unsicherheitsbereich aus. Der Algorithmus von Sentry-II fragt dann: Was sind die möglichen Umlaufbahnen innerhalb der gesamte Region der Unsicherheit, die die Erde treffen könnte?

Auf diese Weise werden die Berechnungen der Orbitalbestimmung nicht durch vorgegebene Annahmen darüber beeinflusst, welche Teile des Unsicherheitsbereichs zu einem möglichen Aufprall führen könnten. Dies ermöglicht Sentry-II, sich auf weitere Aufprallszenarien mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit einzustellen, von denen einige Sentry möglicherweise übersehen hat.

Farnocchia vergleicht den Vorgang mit der Suche nach Nadeln im Heuhaufen: Die Nadeln sind mögliche Wirkungsszenarien, und der Heuhaufen ist der Unsicherheitsbereich. Je unsicherer die Position eines Asteroiden ist, desto größer ist der Heuhaufen. Wächter stocherten tausende Male nach dem Zufallsprinzip im Heuhaufen und suchten nach Nadeln, die sich in der Nähe einer einzelnen Linie befanden, die sich durch den Heuhaufen erstreckte. Die Annahme war, dass das Befolgen dieser Linie der beste Weg war, um nach Nadeln zu suchen. Aber Sentry-II nimmt keine Linie an und wirft stattdessen Tausende von winzigen Magneten zufällig über diesen Heuhaufen, die schnell von den nahegelegenen Nadeln angezogen werden und sie dann finden.

„Sentry-II ist ein fantastischer Fortschritt bei der Ermittlung winziger Aufprallwahrscheinlichkeiten für eine Vielzahl von Szenarien“, sagte Steve Chesley, leitender Forschungswissenschaftler am JPL, der die Entwicklung von Sentry leitete und an Sentry-II mitarbeitete. „Wenn die Folgen eines zukünftigen Asteroideneinschlags so groß sind, lohnt es sich, auch das kleinste Einschlagsrisiko in den Daten zu finden.“

Eine Studie, die Sentry-II beschreibt, wurde in der veröffentlicht Astronomisches Journal am 1.12.2021.

Referenz: „A Novel Approach to Asteroid Impact Monitoring“ von Javier Roa, Davide Farnocchia und Steven R. Chesley, 1. Dezember 2021, Astronomisches Journal.
DOI: 10.3847/1538-3881/ac193f