Así es DART, la hazaña para evitar que un asteroide destruya la Tierra
Si todo va bien, la prueba de redireccionamiento doble de asteroides impactará contra Dimorphos en 2022 para modificar su velocidad en un milímetro por segundo a unos 11 millones de kilómetros de distancia. Se trata de la primera misión que aspira a modificar el sistema solar en lugar de estudiarlo.
por David W. Brown | traducido por Ana Milutinovic
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NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman |
En la sala limpia del Edificio 23 del Laboratorio de Física Aplicada (APL, por sus siglas en inglés) de la Universidad Johns Hopkins en Laurel (EE. UU.), la nave espacial DART se abrió como un huevo roto con forma de cubo. Dentro se introdujo un instrumento denominado rastreador de estrellas (que, cuando DART esté en el espacio profundo, determinará la vía hacia arriba), junto con baterías y una variedad de distintos sensores.
Su sistema de aviónica (el ordenador central de DART) se instaló en un lugar destacado de los paneles cuadrados de precisión mecánica que formarán las paredes, cuando la nave se cierre. Varios cables iban desde el ordenador hasta el sistema de radio que DART utilizará para comunicarse con la Tierra. Se veían giroscopios y antenas. En la sala de al lado, el sistema experimental de propulsión NEXT-C esperaba su turno. Grandes montones de gruesos cables envueltos en papel plateado aislante colgaban de la nave espacial y se extendían por el suelo hasta la sala de control, donde se conectaban a una imponente serie de ordenadores de pruebas operados por cuatro ingenieros.
En un reloj situado sobre uno de los ordenadores se podía leer: "Días para el lanzamiento de DART: 350.08.33".
DART, la prueba de redireccionamiento doble de asteroides, está diseñada para estrellarse contra el asteroide Dimorphos para cambiar su velocidad en aproximadamente un milímetro por segundo. Aunque Dimorphos no debería de chocar con la Tierra en ningún caso, DART pretende demostrar nuestra capacidad para desviar un asteroide que sí se dirija hacia nosotros, en caso de que se descubra.
Desde que la sonda soviética Luna 1 se convirtió en la primera nave espacial en salir de la órbita de la Tierra el 2 de enero de 1959, se ha enviado alrededor de 250 sondas al sistema solar. DART es única entre ellas porque es la primera que no estudiará el sistema solar, sino que lo cambiará.
Hasta 1980, los astrónomos habían determinado las órbitas de unos 10.000 asteroides, incluidos 51 asteroides "próximos a la Tierra" (junto con 44 cometas también cercanos a nuestro planeta). Actualmente, las cifras han aumentado: el Minor Planet Center realiza el seguimiento de unos 800.000 asteroides en total, de los cuales casi 24.000 tienen órbitas cercanas a la Tierra. La gran mayoría se han descubierto desde 1998, cuando el Congreso de EE. UU. le dio a la NASA 10 años para identificar todos los objetos cercanos a la Tierra de más de un kilómetro de diámetro. Gracias a los análisis estadísticos, los astrónomos creen que han encontrado alrededor del 95 % de los grandes asteroides próximos a la Tierra, del tipo capaz de destruir la civilización si choca con nuestro planeta.
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Foto: El reloj de cuenta atrás para el lanzamiento en APL. Créditos: NASA / Johns Hopkins APL / Ed Whitman |
La Tierra mueve la distancia de su diámetro cada siete minutos. Si la hora de llegada de un objeto entrante se puede cambiar en más de unos 10 minutos, evitaríamos el impacto. (Los detalles, por supuesto, dependen de la trayectoria concreta; los tres minutos adicionales se tienen en cuenta por el efecto de la atracción gravitacional de la Tierra).
Didymos tiene aproximadamente 805 metros de ancho. Dimorphos tiene unos 152 metros de diámetro, aproximadamente como un pequeño estadio deportivo. Nadie sabe aún cómo es, porque resulta demasiado pequeño y lejano para observarlo con nuestros telescopios en la Tierra o cerca de ella. Ambos asteroides están a un kilómetro de distancia entre sí; Dimorphos orbita el asteroide más grande a una velocidad más lenta que el paso normal de una persona.
En 2005, el Congreso de EE.UU. dio a la NASA nuevas órdenes para identificar todos los objetos cercanos a la Tierra de más de 140 metros de diámetro, cuyo impacto contra la Tierra sería catastrófico, pero, no apocalíptico. Ese trabajo sigue en curso, y en 2016, la NASA creó la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria para coordinar la miríada de agencias internacionales que se movilizarían si se descubriera un objeto destructivo en nuestro camino. DART es la primera misión de este grupo.
El director de la oficina, Lindley Johnson, afirma: "No debemos ser víctimas del cosmos. Si llegamos a enfrentarnos a esa situación, no queremos que el primer uso de la desviación de asteroides en el mundo real sea algo que pueda fallar". Los objetivos de DART son dos: demostrar que una nave espacial es capaz de chocar contra un asteroide con éxito y medir los efectos de la colisión.
Las propuestas anteriores contemplaban el uso de dos vehículos: uno para realizar la colisión y otro, que se enviaría antes, para observar la colisión y medir sus efectos. Este enfoque parecía el único viable, porque con un asteroide que viaja a 30 kilómetros por segundo, el cambio milimétrico por segundo en la velocidad causado por una colisión sería muy difícil de medir con los telescopios en la Tierra o cerca de ella. Pero esto resulta muy caro: más de 800 millones de euros.
Así que, a principios de 2011, el científico jefe y especialista en la defensa planetaria del APL, Andy Cheng, tuvo otra idea. En vez de enviar dos naves espaciales, su plan era enviar una sola nave para estrellarse contra el asteroide pequeño que orbita alrededor del más grande. Los astrónomos luego podrían usar una técnica para medir la fuerza del golpe.
"Cada 12 horas, realiza su vuelta, siempre igual. Lo que hacemos con DART es marcar ese tiempo".
Esta misión más sencilla costaría sólo 210 millones de euros, que es relativamente poco. Ese cambio fue crucial para que la NASA aprobara la misión DART. Al final, la Agencia Espacial Italiana contribuyó con una nave espacial del tamaño de una caja de zapatos llamada LICIACube para acoplarla a DART y ayudar con las observaciones sin aumentar mucho el coste.
El objetivo de Cheng, Dimorphos, fue descubierto en 2003 orbitando el asteroide más grande. Después del descubrimiento, el cuerpo más grande se denominó Didymos, la palabra griega para gemelo. Su luna recibió su nombre en 2020. Como se ve desde la Tierra, su órbita a veces pasa por delante y por detrás de Didymos, bloqueando parcialmente el asteroide más grande en cada vuelta. Mediante los telescopios terrestres, "se puede realizar una medición muy precisa de la órbita observando las reducciones de la luz", asegura Cheng. Una técnica similar es la que se utiliza para identificar exoplanetas que orbitan estrellas distantes.
El científico del programa de la misión DART Tom Statler explica: "La órbita de Dimorphos alrededor de Didymos es como un reloj. Cada 12 horas, realiza su vuelta, siempre igual. Lo que hacemos con DART es marcar ese tiempo". Todo lo que los astrónomos tienen que hacer es medir lo rápido que va ese reloj antes del impacto y luego volver a medirlo. Esperan que el período orbital cambie en unos 10 minutos, o un poco más del 1 %.
Esta información es suficiente para calcular la cifra más importante: la llamada eficacia de transferencia de impulso, que normalmente se representa con la letra griega β. Como su nombre indica, es una medida de cuánto del impulso de la nave espacial se transfiere al asteroide (en vez de, por ejemplo, destrozar sus rocas). Cuanto mayor sea el valor β, más eficaz habrá sido DART para cambiar el curso de Dimorphos.
Resulta importante precisar el valor β porque, para protegernos contra los impactos de los asteroides, deberíamos poder predecir cuánto se moverá alguno de ellos cuando una nave espacial choca con él. Como Cheng y sus coautores escribieron en un artículo de 2020: "Determinar el valor β a partir de las mediciones y el modelado de DART es un objetivo crítico para la ciencia de la defensa planetaria".
Algunas suposiciones se incluirán en el cálculo de β del equipo de DART. En términos generales, estimarán el tamaño de Dimorphos analizando las imágenes que tomarán DART y LICIACube. Ese número, combinado con la suposición fundamentada de la densidad del asteroide, les dará una estimación de su masa. Ese cálculo, junto con las observaciones del cambio en el período orbital, les permitirá determinar el valor β. (Sí, hay mucha estimación involucrada).
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Foto: La Prueba de redirección doble de asteroides (DART) de la NASA será la primera misión espacial diseñada para probar la tecnología de defensa planetaria. DART alterará la velocidad de Dimorphos lo suficiente para que los telescopios terrestres puedan medirlo. (La imagen no está a escala). Créditos: NASA / Johns Hopkins APL |
Sin embargo, nada de esto les dirá a los astrónomos por qué sale ese valor concreto de β para la colisión entre DART y Dimorphos. Los asteroides son diversos en tamaño y composición. No se sabe mucho sobre su estructura interna. Nadie sabe con certeza si DART creará un cráter grande o pequeño. El director del equipo científico de DART con Cheng, Andy Rivkin, amplía: "Creemos que esos factores dependen de la topografía del lugar donde impacte DART".
En otras palabras: ¿La nave espacial chocará contra una ladera o contra un terreno plano? ¿Habrá rocas? ¿Duras o blandas? ¿Grava? ¿Lodo? Y como resultado, ¿cuánto material expulsado creará DART? ¿En qué dirección irá ese material y con qué rapidez? Lo que sale volando en una dirección le dará al asteroide un empujón en la dirección opuesta, y esa respuesta afectará el valor final de β.
El equipo planea comparar los datos recogidos por DART con las simulaciones por ordenador de impactos similares. Eso permitirá mejorar los modelos y calcular mejor qué tipo de proyectil se necesitaría para desviar un futuro asteroide si se dirige hacia la Tierra.
Construir una nave espacial supone probarla. Llegar al espacio es caro; dirigirse hacia un lejano asteroide, aún más. Todo tiene que funcionar a la primera.
Cuando visité el APL el pasado agosto, la jefa de pruebas de propulsión de DART, Rosanna Smith, estaba en la sala de control supervisando las pruebas de los propulsores de hidracina de la nave espacial. Cada componente ya había sido probado, muchas veces, por separado. Los estaban probando de nuevo, como partes de un conjunto completo. DART se conectó a los ordenadores de pruebas que le ofrecían datos para que esos componentes se comportaran como si estuvieran en el espacio. Los propulsores no estaban encendidos, pero la aviónica de la nave respondía como si estuvieran funcionando. Smith me explicó que si se detectaba alguna anomalía, los ingenieros lo pararían todo para examinar la sonda. Podrían vestirse y entrar en la sala limpia, conectar un osciloscopio a la nave espacial y ver qué ocurría.
El objetivo era obtener datos sobre el rendimiento básico de DART. En las próximas semanas, los ingenieros planeaban someter la nave espacial a las pruebas de vibración: sacudirla de forma violenta, aproximando físicamente las tensiones de las maniobras de lanzamiento y vuelo, para ver si se rompía algo y qué. El plan era poner la nave espacial en una cámara de vacío térmico para simular el espacio, donde funcionaría en ciclos de frío y calor. Después de cada actividad, volverían a realizar las pruebas del día, comparando los resultados con los datos iniciales para ver qué cambiaba y qué no.
Normalmente suele haber una docena de personas en la sala realizando las pruebas. Pero, como muchas otras cosas, los procedimientos del montaje de DART han cambiado por la pandemia. APL ha instalado cámaras en todas partes. Los que trabajan desde casa pueden conectarse para ver qué sucede. Sus voces salían de los altavoces del techo y los ingenieros de la sala respondían a veces como si hablaran con fantasmas.
El viaje de la Tierra a Didymos durará 14 meses. DART se lanzará en el cohete Falcon 9 desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en la costa de California (EE. UU.), 209 kilómetros al noroeste de Los Ángeles (EE. UU.). La nave espacial despegará hacia el sur y rodeará el Sol antes de encontrarse con los asteroides unas semanas después de su aproximación más cercana a la Tierra, cuando Didymos y Dimorphos estarán a unos 11 millones de kilómetros de distancia, unas 30 veces más lejos que la Luna. La trayectoria fue diseñada para minimizar la energía requerida para lanzar DART, y para programar el impacto en una aproximación más cercana, de modo que los telescopios terrestres puedan obtener la mejor vista posible de la colisión.
Pero, primero, DART tiene que encontrar a Didymos. Treinta días antes del impacto, la nave espacial comenzará a captar imágenes de navegación óptica mientras se acerca a los asteroides gemelos a unos 24.000 kilómetros por hora. Los astrónomos no conocen las órbitas de los asteroides con la precisión necesaria para un impacto programado con anterioridad, y tampoco las conocerán cuando el sistema a bordo llamado SMART Nav asuma los mandos.
El plan de la misión es que DART impacte a no más de 15 metro del punto objetivo planeado, pero, en esos momentos la incertidumbre sobre la órbita de Didymos seguirá siendo de cientos de metros, y para el Dimorphos, que es mucho más pequeño, será aún mayor.
Cuatro horas después del lanzamiento, "encenderemos SMART Nav que debería identificar a Didymos y empezar a buscar Dimorphos, contra el cual queremos chocar", explica la ingeniera jefa de la misión DART, Elena Adams. Hay radiación en el espacio y ruido en el detector, por lo que los algoritmos comparan los píxeles en su campo de visión. Una hora antes del impacto, el software debería identificar a Dimorphos. "Al encontrar el píxel que busca, y si está en la ubicación correcta, y si tiene sentido, dejará de apuntar al asteroide y se dirigirá a su luna", añade.
Incluso si los astrónomos conocieran la posición de Dimorphos con total precisión, DART no podría programarse con antelación para ejecutar la maniobra requerida con suficiente precisión para el impacto. Ningún propulsor está perfectamente alineado ni su rendimiento está perfectamente modelado. Para cada maniobra, una nave espacial debe realizar la corrección de seguimiento para tener en cuenta las desviaciones. SMART Nav lo hace de forma autónoma. Además, DART utilizará sus propulsores para permanecer en la dirección correcta; esto cambiará su trayectoria unos metros.
Todas estas desviaciones se analizarán y corregirán continuamente mediante SMART Nav en las horas previas al impacto. En comparación, para las maniobras típicas de naves espaciales gestionadas por humanos, generalmente se necesitan horas o días para calcularlas y ejecutarlas, y luego comprobar el rendimiento para diseñar una corrección. Mientras realiza los ajustes de la trayectoria, SMART Nav mantiene los paneles solares de la nave orientados hacia el Sol y la antena de alta ganancia dirigida hacia la Tierra, enviando imágenes de Didymos y Dimorphos aproximadamente cada dos segundos. A medida que la nave espacial se acerca al asteroide, los propulsores de hidracina se dispararán con frecuencia para mantener al objetivo dentro del estrecho campo de visión de su cámara.
SMART Nav dejará de maniobrar unos dos minutos antes del impacto, y la nave espacial se dirigirá hacia el asteroide. Adams detalla: "Lograremos la resolución requerida del lugar del impacto unos 20 segundos antes del impacto y enviaremos la última imagen a la Tierra dentro de los últimos siete segundos hasta el impacto. Y luego, ¡bum!"
Los impactadores cinéticos como DART no son la única forma de desviar un asteroide. La NASA ha contemplado detonar una bomba nuclear cerca de un asteroide para desviarlo. Esto libera mucha más energía para alejar el asteroide, pero corre el riesgo de fragmentarlo en una gran cantidad de proyectiles más pequeños con trayectorias impredecibles y algunos aun podrían chocar contra la Tierra. Otra opción sería la de los remolcadores, que se acoplarían a un asteroide y lo desviarían de su curso con una propulsión lenta y constante, o los "tractores de gravedad", naves espaciales que volarían cerca de un asteroide y, en el transcurso de años o incluso décadas, lo sacarían lentamente de su curso de colisión por la fuerza de su propia gravedad.
Ambas alternativas son técnicamente más complicadas que un impactador cinético como DART. Pero, con DART también se están probando algunas tecnologías que podrían aplicarse a otras naves espaciales posteriores.
Por ejemplo, se probará el nuevo propulsor de iones, NEXT-C, que no es necesario para la misión DART, que se basará principalmente en cohetes químicos convencionales. Pero, los propulsores de iones, que utilizan la electricidad para generar impulso, son mucho más eficientes que sus homólogos químicos. Con unos pocos cientos de kilos de propulsor pueden lograr lo mismo para lo que requerirían decenas de miles de kilos de combustible químico como la hidracina. Solo dos naves espaciales, Deep Space One y Dawn, han utilizado los propulsores de iones en el espacio profundo, y NEXT-C es aproximadamente tres veces más potente que los de esas misiones.
Para generar la electricidad necesaria para activar NEXT-C, DART también utilizará un nuevo panel solar desplegable, más ligero que los plegables convencionales. Al dar a los futuros defensores planetarios más trayectorias para elegir, los sofisticados sistemas de propulsión permitirían que los impactadores choquen contra los asteroides entrantes a velocidades más altas.
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Foto: Una representación de la nave espacial DART, con su motor de iones experimental NEXT-C encendido. Créditos: NASA / John Hopkins APL |
Cuanto antes se consiga detectar un asteroide, u otro objeto, como un cometa, que se dirige hacia la Tierra, más fácil será actuar al respecto. Casi todos los asteroides que podrían representar una amenaza de extinción para la vida en la Tierra ya se han encontrado. Se trata de unas rocas enormes de varios kilómetros de diámetro, y ninguna de las conocidas amenaza a la humanidad en el corto plazo. (Se cree que el impacto de Chicxulub que llevó a la extinción de los dinosaurios involucró a un objeto de unos 16 kilómetros de diámetro. Pero, los astrónomos no han identificado todos los asteroides más pequeños, y aún peligrosos, como el meteoro que impactó sobre Chelyabinsk (Rusia) en 2013, con la fuerza de una bomba nuclear de tamaño mediano. El objeto de Chelyabinsk tenía unos 20 metros de diámetro; su explosión rompió las ventanas en un área de 322 kilómetros cuadrados en medio del invierno en un área densamente poblada. 1.700 personas resultaron heridas, la mayoría por cristales rotos.
"Hace cuarenta años, no sabíamos si un asteroide gigante podría acabar con nosotros en una semana. Ese peligro específico por ignorancia se ha eliminado", asegura Statler, el científico del programa DART. Pero, los objetos de menos de 800 metros, aproximadamente del tamaño de Dimorphos, son difíciles de detectar por los observatorios actuales, tanto terrestres como espaciales.
Un asteroide de 805 metros de diámetro generaría aproximadamente el mismo impacto que la mayor bomba atómica de la historia. Actualmente, advierte Statler, quizás se haya identificado una cuarta parte del número total de pequeños objetos potencialmente peligrosos. Y añade: "Si no sabemos dónde están, entonces no podemos predecir cuándo podría ocurrir un impacto y cuándo deberíamos realizar una desviación".
A finales de esta década se lanzará la Misión de Vigilancia de Objetos Cercanos a la Tierra, de 418 millones de euros, un telescopio infrarrojo orbital financiado por la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria que debería ayudar a resolver ese problema. Debido a que observa en longitud de onda infrarroja, tendrá una mayor capacidad que los telescopios de luz visible para mirar hacia el Sol. Podrá detectar objetos bañados por la luz solar y, por lo tanto, invisibles para los telescopios terrestres.
Además, el observatorio Vera Rubin, el nuevo telescopio que se está construyendo en Chile, buscará objetos peligrosos mediante una cámara de 3.200 megapíxeles, la más grande jamás utilizada en astronomía. Statler añade: "Nuestra esperanza en los próximos 20 años es decir: 'Sí, también hemos eliminado ese peligro y sabemos cuáles son los que deberíamos vigilar'".
Cuanto antes se encuentre un objeto entrante, menor será la capacidad de un impactador diseñado por humanos para llevar a cabo ese trabajo. Si se detecta un asteroide o cometa peligroso en el último momento, se necesitará mucha más energía para cambiar su curso lo suficiente.
LICIACube se separará de un compartimento superior de DART 10 días antes del impacto y desplegará sus propios pequeños paneles solares. Mientras, el pequeño cubesat se quedará atrás para observar, DART chocará contra Dimorphos.
Es probable que la nave espacial se rompa en pedazos muy pequeños, algunos convertidos en polvo. La mayoría de sus restos explotarán con la eyección cuando se forme el cráter. Es posible que sobrevivan grandes partes de la estructura, aunque quedarán enterradas a una profundidad de hasta tres metros en el asteroide. LICIACube observará la columna del material expulsado a medida que sale, y también fotografiará el lado más alejado de Dimorphos mientras pasa por ahí. Pero no tendrá forma de reducir la velocidad: LICIACube seguirá acelerando más allá de Dimorphos hacia las profundidades del espacio.
La Agencia Espacial Europea está planeando una misión denominada Hera, que se lanzará en 2024 y volverá a visitar Dimorphos a principios de 2027 para tomar medidas más detalladas de su masa, estudiar su composición y determinar el valor β con una precisión aún mayor. Hera llevará dos cubesats propios y viajará por el sistema Didymos-Dimorphos durante un período planificado de tres a seis meses, reuniendo muchos más datos.
Si todo va bien, DART dejará la Tierra a finales de julio de este año. El 30 de septiembre de 2022 dejará de existir: años de esfuerzo de cientos de personas transformados en un choque, el primero de una nueva era.
