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Ce vaisseau spatial est en cours de préparation pour une mission à sens unique visant à dévier un astéroïde
NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
Dans une salle blanche du bâtiment 23 du laboratoire de physique appliquée (APL) de l'Université Johns Hopkins à Laurel, dans le Maryland, un vaisseau spatial appelé DART a été ouvert comme un œuf cubique fracturé. Un instrument appelé suiveur d'étoiles - qui, une fois que DART est dans l'espace lointain, déterminera la direction vers le haut - a été monté sur le noyau, ainsi que des batteries et une variété d'autres capteurs. Le système avionique, l'ordinateur central de DART, était bien en vue sur des panneaux carrés usinés avec précision qui formeront les côtés, une fois le vaisseau spatial replié. Des fils relient l'ordinateur au système radio que DART utilisera pour communiquer avec la Terre. Des gyroscopes et des antennes ont été exposés. Dans une pièce voisine, un système de propulseur expérimental appelé NEXT-C attendait son tour. De grands faisceaux de vrilles épaisses enveloppées dans une isolation en argent pendaient du vaisseau spatial et couraient le long du sol jusqu'à la salle de contrôle, où elles se connectaient à une imposante batterie d'ordinateurs de banc d'essai gérés par quatre ingénieurs.
Une horloge sur l'un des ordinateurs indiquait Jours avant lancement DART : 350:08:33.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2020
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DART - le Double Asteroid Redirection Test - est conçu pour s'écraser sur un astéroïde appelé Dimorphos. L'impact modifiera la vitesse de Dimorphos d'environ un millimètre par seconde, soit un cinq centième de mile par heure. Bien que Dimorphos ne soit pas sur le point d'entrer en collision avec la Terre, DART est destiné à démontrer la capacité de dévier un astéroïde comme celui-ci. est se dirigeait vers nous, si jamais on en découvrait un.
Depuis qu'une sonde soviétique appelée Luna 1 est devenue le premier vaisseau spatial à s'échapper de l'orbite terrestre le 2 janvier 1959, l'humanité a envoyé environ 250 sondes dans le système solaire. DART est unique parmi eux. C'est le premier qui se propose non pas d'étudier le système solaire, mais de le changer.
En 1980, les astronomes avaient déterminé les orbites d'environ 10 000 astéroïdes, dont 51 astéroïdes géocroiseurs (ainsi que 44 comètes géocroiseurs). Aujourd'hui, les chiffres ont gonflé : le Minor Planet Center suit au total environ 800 000 astéroïdes, dont près de 24 000 ont des orbites qui les rapprochent de la Terre. La grande majorité d'entre eux ont été découverts depuis 1998, lorsque le Congrès a donné 10 ans à la NASA pour identifier chaque objet géocroiseur de plus d'un kilomètre (0,6 mile) de diamètre. Grâce à des analyses statistiques, les astronomes pensent avoir trouvé environ 95% des gros astéroïdes géocroiseurs, du genre qui détruirait la civilisation s'ils frappaient notre planète.
L'horloge du compte à rebours du lancement à l'APL.
NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMANLa Terre se déplace de la distance de son diamètre toutes les sept minutes. Si l'heure d'arrivée d'un objet entrant peut être modifiée de plus de 10 minutes environ, il nous manquera. (Les détails, bien sûr, dépendent de la trajectoire particulière ; les trois minutes supplémentaires doivent tenir compte de l'effet de l'attraction gravitationnelle de la Terre.)
Didymos est d'environ un demi-mile à travers. Dimorphos mesure environ 500 pieds de diamètre, soit environ la taille d'un petit stade de sport. Personne ne sait encore à quoi il ressemble, car il est trop petit et trop éloigné pour des observations détaillées à partir de télescopes sur ou près de la Terre. Les deux astéroïdes sont distants d'environ un demi-mile ; Dimorphos orbite autour du plus gros astéroïde à une vitesse inférieure à la marche d'une personne.
En 2005, le Congrès a donné à la NASA de nouveaux ordres pour cataloguer tous les objets géocroiseurs de plus de 140 mètres (460 pieds) de diamètre, des objets dont l'impact serait catastrophique plutôt qu'apocalyptique. Ce travail se poursuit et, en 2016, la NASA a créé le Bureau de coordination de la défense planétaire pour coordonner la myriade d'agences américaines et internationales qui seraient mobilisées si un objet destructeur était découvert sur notre chemin. DART est la première mission du groupe.
Nous n'avons pas à être victimes du cosmos, déclare Lindley Johnson, qui dirige le bureau. Si nous sommes confrontés à cette situation, nous ne voulons pas que la première utilisation réelle de la déviation des astéroïdes soit un genre de chose incontournable. Les objectifs de DART sont doubles : prouver qu'un vaisseau spatial peut percuter un astéroïde avec succès et mesurer les effets de la collision.
Des propositions antérieures envisageaient d'utiliser deux véhicules : un pour effectuer la collision et un autre, envoyé à l'avance, pour surveiller la collision et mesurer ses effets. Cela semblait être la seule option car avec un astéroïde voyageant à 30 kilomètres par seconde, le changement de vitesse millimètre par seconde causé par une collision serait très difficile à mesurer à l'aide de télescopes basés sur ou près de la Terre. Mais cela coûtait cher : jusqu'à 1 milliard de dollars.
Puis, au début de 2011, Andy Cheng, le scientifique en chef étudiant la défense planétaire au Laboratoire de physique appliquée, a eu une révélation. Plutôt que d'envoyer deux engins spatiaux, son plan enverrait un seul engin s'écraser sur un petit astéroïde en orbite autour d'un plus grand. Les astronomes pourraient alors utiliser une astuce astucieuse pour mesurer la force du coup.
Toutes les 12 heures, ça tourne en rond, toujours pareil. Ce que nous faisons avec DART, c'est faire exploser l'horloge.
Cette mission plus simple ne coûterait qu'environ 250 millions de dollars, une aubaine relative. Le changement a été crucial pour amener la NASA à approuver DART. En fin de compte, l'Agence spatiale italienne a fourni un vaisseau spatial de la taille d'une boîte à chaussures appelé LICIACube pour se greffer sur DART, ce qui facilitera les observations sans augmenter considérablement le coût.
La cible de Cheng, Dimorphos, a été découverte en 2003 en orbite autour d'un plus gros astéroïde. Après la découverte, le plus grand corps a été nommé Didymos, le mot grec pour jumeau. Sa lune a reçu son nom en 2020. Vu de la Terre, son orbite passe parfois devant et derrière Didymos, bloquant en partie le plus gros astéroïde à chaque révolution. En utilisant des télescopes au sol, vous pouvez effectuer une mesure très précise de l'orbite en regardant les creux de lumière, explique Cheng. Une technique similaire est utilisée pour identifier les exoplanètes en orbite autour d'étoiles lointaines.
L'orbite de Dimorphos autour de Didymos ressemble à une horloge, explique Tom Statler, scientifique du programme de la mission DART au siège de la NASA. Toutes les 12 heures, ça tourne en rond, toujours pareil. Ce que nous faisons avec DART, c'est battre l'horloge. Tout ce que les astronomes ont à faire est de mesurer la vitesse à laquelle l'horloge tourne avant l'impact, puis de la mesurer à nouveau après. Ils s'attendent à ce que la période orbitale change d'environ 10 minutes, soit un peu plus de 1 %.
C'est suffisamment d'informations pour leur permettre d'estimer le chiffre qui les intéresse le plus : ce qu'on appelle l'efficacité de transfert de quantité de mouvement, généralement désignée par la lettre grecque β. Comme son nom l'indique, il s'agit d'une mesure de la quantité d'élan du vaisseau spatial qui est transférée à l'astéroïde (par opposition, par exemple, à des éclats de roche). Plus β est grand, plus DART aura été efficace pour changer le cap de Dimorphos.
Il est important de déterminer β car pour se protéger contre les impacts d'astéroïdes, nous devons être en mesure de prédire de combien on bougera lorsqu'un vaisseau spatial le heurtera. Comme Cheng et ses coauteurs l'ont écrit dans un article de 2020, la détermination de β à partir des mesures et de la modélisation DART est un objectif scientifique de défense planétaire d'une importance cruciale.
Quelques hypothèses entreront dans le calcul de β par l'équipe DART. En gros, ils estimeront la taille de Dimorphos en analysant les images que DART et LICIACube prendront. Ce nombre, combiné à une estimation éclairée de la densité de l'astéroïde, leur donne une estimation de sa masse. Cette nombre, combiné aux observations du changement de période orbitale, leur permet d'estimer β. (Il y a, oui, beaucoup d'estimations impliquées.)
Le Double Asteroid Redirection Test (DART) de la NASA sera la toute première mission spatiale conçue pour tester la technologie de défense planétaire. DART modifiera suffisamment la vitesse de Dimorphos pour être mesurée par des télescopes terrestres. (Illustration non à l'échelle.)
NASA/JOHNS HOPKINS APLCependant, rien de tout cela ne dira aux astronomes pourquoi β a pris cette valeur particulière pour la collision DART-Dimorphos. Les astéroïdes sont de taille et de composition diverses. On ne sait pas grand-chose de leur structure interne. Personne ne sait avec certitude si DART fera un grand cratère ou un petit. Nous nous attendons à ce que ces facteurs dépendent de la topographie de l'endroit où DART frappe, explique Andy Rivkin, qui dirige l'équipe scientifique DART avec Cheng.
En d'autres termes : le vaisseau spatial heurtera-t-il une colline ou un terrain plat ? Y aura-t-il des rochers ? Roche dure ou douce ? Gravier? Saleté? Et par conséquent, combien d'éjectas DART créera-t-il ? Dans quelle direction cet éjecta ira-t-il et à quelle vitesse ? Les éjectas qui s'envolent dans une direction donnent à l'astéroïde un coup de pied dans la direction opposée, de sorte que la réponse affecte la valeur ultime de β.
L'équipe prévoit de comparer les données recueillies par DART avec des simulations informatiques d'impacts similaires. Cela leur permettra d'améliorer leurs modèles, leur permettant de mieux calculer le type de projectile qu'il faudrait pour dévier un futur astéroïde se dirigeant vers la Terre.
Construire un vaisseau spatial, c'est tester un vaisseau spatial. Se rendre dans l'espace coûte cher; cibler un astéroïde lointain encore plus. Les choses doivent fonctionner la première fois.
Un jour d'août, lorsque j'ai visité APL, Rosanna Smith, responsable des tests de propulsion de DART, s'est assise dans la salle de contrôle pour superviser les tests des propulseurs à hydrazine du vaisseau spatial. Chaque composant avait déjà été testé, plusieurs fois, individuellement. Maintenant, ils étaient à nouveau testés, en tant que parties d'un tout. DART était connecté à des ordinateurs de banc d'essai qui lui fournissaient des données, faisant en sorte que ces composants se comportent comme s'ils se trouvaient dans l'espace. Les propulseurs ne tiraient pas, mais l'avionique du vaisseau spatial a répondu comme si c'était le cas. Si une anomalie était détectée, a expliqué Smith, les ingénieurs s'arrêteraient pour évaluer la sonde. Ils pourraient s'habiller et entrer dans la salle blanche, attacher un oscilloscope au vaisseau spatial et voir ce qui se passait.
L'objectif était d'obtenir des données sur les performances de base de DART. Dans les semaines à venir, les ingénieurs prévoyaient de soumettre le vaisseau spatial à des tests de vibration : le secouer violemment, se rapprocher physiquement des contraintes des manœuvres de lancement et de vol, pour voir ce qui, le cas échéant, cassait. Ils prévoyaient de placer le vaisseau spatial dans une chambre à vide thermique pour simuler l'espace, en le faisant passer par des cycles chauds et froids. Après chaque activité, ils effectuaient à nouveau les tests de la journée, comparant les résultats avec la ligne de base pour voir ce qui avait changé et ce qui n'avait pas changé.
Normalement, il peut y avoir une douzaine de personnes dans la salle en train de faire des tests. Mais, comme beaucoup d'autres choses, les procédures d'assemblage de DART ont changé en réponse à la pandémie. APL a installé des caméras dans toute l'installation. Ceux qui travaillent à domicile peuvent se connecter pour voir ce qui se passe. Leurs voix sortaient des haut-parleurs, et les ingénieurs dans la pièce répondaient avec désinvolture, comme s'ils parlaient à des fantômes.
Le voyage de la Terre à Didymos dure 14 mois. DART sera lancé sur une fusée Falcon 9 depuis la base aérienne de Vandenberg sur la côte californienne, à 130 miles au nord-ouest de Los Angeles. Le vaisseau spatial décollera vers le sud et fera le tour du soleil une fois avant de rencontrer les astéroïdes quelques semaines après leur approche la plus proche de la Terre, lorsque Didymos et Dimorphos seront à environ 6,8 millions de kilomètres, environ 30 fois plus loin que la lune. La trajectoire a été conçue pour minimiser l'énergie nécessaire au lancement de DART et pour chronométrer l'impact pour une approche rapprochée afin que les télescopes terrestres puissent obtenir leur meilleur aperçu possible de la collision.
Mais d'abord, DART doit trouver Didymos. Trente jours avant l'impact, le vaisseau spatial commencera à collecter des images de navigation optique alors qu'il s'approche des astéroïdes jumeaux à près de 15 000 miles par heure. Les astronomes ne connaissent pas les orbites des astéroïdes avec la précision nécessaire pour un impact préprogrammé, et ils ne le feront toujours pas lorsqu'un système embarqué appelé SMART Nav prendra le relais. Le plan de mission prévoit que DART ne touche pas plus de 50 pieds du point cible prévu, mais d'ici là, l'incertitude sur l'orbite de Didymos sera toujours de l'ordre de milliers de pieds, et pour le Dimorphos beaucoup plus petit, elle sera encore plus grande.
Quatre heures plus tard, nous allumons SMART Nav, et il identifie Didymos et commence à rechercher Dimorphos, que nous essayons de frapper, explique Elena Adams, ingénieur en chef de la mission DART. Il y a un rayonnement dans l'espace et du bruit dans le détecteur, donc les algorithmes comparent les pixels dans son champ de vision. Une heure avant l'impact, le logiciel doit localiser Dimorphos. Après avoir déterminé le pixel qu'il veut, et qu'il est au bon endroit, et que cela a du sens, c'est à ce moment-là qu'il passe du ciblage de l'astéroïde principal au ciblage de sa lune, ajoute-t-elle.
Même si les astronomes connaissaient la position de Dimorphos avec une précision totale, DART ne pouvait pas être préprogrammé pour exécuter la manœuvre requise avec suffisamment de précision pour l'atteindre. Aucun propulseur n'est jamais parfaitement aligné, et aucune performance de propulseur n'est jamais parfaitement modélisée. Pour chaque manœuvre, un vaisseau spatial a besoin de manœuvres de correction de suivi pour tenir compte des écarts. SMART Nav le fait de manière autonome. De plus, DART utilisera ses propulseurs pour rester pointé dans la bonne direction ; cela modifiera sa trajectoire de plusieurs pieds. Tous ces écarts seront continuellement évalués et corrigés par SMART Nav dans les dernières heures avant l'impact. Pour les manœuvres typiques d'engins spatiaux exécutées par des humains, en comparaison, il faut généralement des heures ou des jours pour les calculer et les exécuter, puis pour évaluer les performances afin de concevoir une correction. Tout en effectuant des ajustements de trajectoire, SMART Nav maintient les panneaux solaires du vaisseau spatial pointés vers le soleil et l'antenne à gain élevé pointée vers la Terre, renvoyant des images de Didymos et Dimorphos environ toutes les deux secondes. Lorsque le vaisseau spatial s'approche de l'astéroïde, les propulseurs à hydrazine se déclenchent fréquemment pour maintenir la cible dans le champ de vision étroit de sa caméra.
SMART Nav arrêtera d'exécuter des manœuvres environ deux minutes avant l'impact, et le vaisseau spatial glissera dans l'astéroïde. Nous atteignons la résolution requise du site d'impact environ 20 secondes avant l'impact et envoyons la dernière image sur Terre dans les sept dernières secondes suivant l'impact, explique Adams. Et puis, boum !
Les impacteurs cinétiques comme DART ne sont pas le seul moyen de détourner un astéroïde entrant. La NASA a envisagé de faire exploser une bombe nucléaire près d'un astéroïde pour le dévier. Cela libère beaucoup plus d'énergie pour repousser l'astéroïde mais risque de le fragmenter en un grand nombre de projectiles plus petits aux trajectoires imprévisibles ; certains pourraient encore frapper la Terre. D'autres options incluent des remorqueurs, qui s'accoupleraient à un astéroïde et le pousseraient hors de sa trajectoire avec une poussée lente et régulière, ou des tracteurs à gravité, des engins spatiaux qui voleraient près d'un astéroïde et, au fil des années, voire des décennies, le retireraient lentement de sa collision. cours par la force de leur propre gravité.
Ces deux alternatives sont techniquement plus compliquées qu'un impacteur cinétique comme DART. Mais DART teste également des technologies qui pourraient être appliquées à des engins spatiaux ultérieurs.
Par exemple, il fera la démonstration du nouveau propulseur ionique NEXT-C. Ce n'est pas nécessaire pour la mission de DART, qui s'appuiera principalement sur des fusées chimiques conventionnelles. Mais les propulseurs ioniques, qui utilisent l'électricité pour générer de l'élan, sont beaucoup plus efficaces que leurs homologues chimiques. Avec quelques centaines de livres de propulseur, ils peuvent accomplir ce qui nécessiterait des dizaines de milliers de livres de carburant chimique comme l'hydrazine. Seuls deux engins spatiaux - Deep Space One et Dawn - ont utilisé des propulseurs ioniques dans l'espace lointain, et NEXT-C est environ trois fois plus puissant que ceux de ces missions.
Pour produire de l'électricité pour alimenter NEXT-C, DART utilisera également un nouveau panneau solaire enroulable qui est plus léger que les panneaux solaires pliants conventionnels. En donnant aux futurs défenseurs planétaires plus de trajectoires parmi lesquelles choisir, des systèmes de propulsion sophistiqués permettraient aux impacteurs de frapper les astéroïdes entrants à des vitesses plus élevées.
Un rendu du vaisseau spatial DART, avec son moteur ionique expérimental NEXT-C.
NASA/JOHN HOPKINS APLPlus tôt on pourra détecter un astéroïde – ou un autre objet, comme une comète – qui se dirige vers la Terre, plus il sera facile de faire quelque chose à ce sujet. Presque tous les astéroïdes qui pourraient constituer une menace d'extinction pour la vie sur Terre ont déjà été découverts. Ce sont d'énormes rochers de plusieurs kilomètres de diamètre, et aucun des connus ne menace l'humanité de si tôt. (On pense que l'impact de Chicxulub qui a conduit à l'extinction des dinosaures a impliqué un objet de l'ordre de 10 miles de diamètre.) Mais les astronomes n'ont pas trouvé tous les astéroïdes plus petits, mais toujours dangereux, comme le météore qui a explosé au-dessus Chelyabinsk, Russie, en 2013, avec la force d'une bombe nucléaire de taille moyenne. L'objet de Chelyabinsk mesurait environ 20 mètres de diamètre ; sa grève a brisé des fenêtres sur 200 milles carrés en plein hiver dans une zone très peuplée. 1700 personnes ont été blessées, la plupart par des éclats de verre.
Il y a quarante ans, nous ne savions pas si nous pourrions être anéantis par un astéroïde tueur géant dans une semaine à partir de mardi prochain. Ce risque particulier d'ignorance a été retiré, dit Statler, le scientifique du programme DART. Mais les objets de moins de 500 pieds, soit environ la taille de Dimorphos, sont difficiles à repérer pour les observatoires actuels, terrestres et satellitaires. (Un astéroïde de 500 pieds de diamètre frapperait avec à peu près l'impact de la plus grosse bombe atomique de l'histoire.) À l'heure actuelle, dit Statler, peut-être un quart du nombre total de petits objets potentiellement dangereux ont été identifiés. Si nous ne savons pas où ils se trouvent, dit-il, nous n'avons pas la capacité de prédire quand un impact pourrait se produire et quand nous pourrions devoir faire une déviation.
La mission de surveillance des objets géocroiseurs d'un demi-milliard de dollars, un télescope infrarouge orbital financé par le Bureau de coordination de la défense planétaire, devrait être lancée plus tard cette décennie, et elle devrait aider à résoudre ce problème. Parce qu'il observe dans les longueurs d'onde infrarouges, il aura une plus grande capacité que les télescopes à lumière visible à regarder vers le soleil. Il sera capable de détecter des objets baignés de soleil, et donc non visibles par les télescopes au sol. De plus, l'observatoire Vera Rubin, un nouveau télescope en construction au Chili, recherchera des objets dangereux à l'aide d'une caméra de 3 200 mégapixels, la plus grande jamais utilisée en astronomie. Notre espoir dans 20 ans est de dire : 'Oui, nous avons également supprimé ce risque, et nous savons lesquels surveiller', déclare Statler.
Plus tôt un objet entrant est trouvé, moins un impacteur conçu par l'homme doit être puissant pour faire le travail. Si un astéroïde ou une comète dangereux est repéré à la 11e heure, il faudra beaucoup plus d'énergie pour modifier suffisamment sa trajectoire.
LICIACube se séparera d'un compartiment au sommet de DART 10 jours avant l'impact et déploiera ses propres petits panneaux solaires. Alors que le petit cubesat attend pour regarder, DART frappera Dimorphos.
Le vaisseau spatial sera probablement brisé en très petits morceaux, certains transformés en poudre. La plupart de ses restes seront à nouveau expulsés sous forme d'éjectas lors de la formation du cratère. Il est possible que de grands éléments structurels survivent, bien qu'ils soient enterrés jusqu'à 10 pieds dans l'astéroïde. LICIACube observera le panache d'éjectas à sa sortie et photographiera également la face cachée de Dimorphos au fur et à mesure de son passage. Mais il n'aura aucun moyen de ralentir - LICIACube continuera à accélérer Dimorphos dans les profondeurs de l'espace.
L'Agence spatiale européenne prévoit une mission appelée Hera, qui devrait être lancée en 2024 et revisiter Dimorphos au début de 2027 pour prendre des mesures plus précises de sa masse, étudier sa composition et déterminer β avec encore plus de précision. Hera transportera ses propres cubesats et parcourra le système Didymos-Dimorphos pendant trois à six mois, recueillant beaucoup plus de données.
Si tout se passe bien, DART quittera la Terre fin juillet 2021. Le 30 septembre 2022, il cessera d'exister - des années d'efforts de centaines de personnes transformées en un coup de pouce, le premier d'une nouvelle ère.