Grazie all’impiego quotidiano di numerosi telescopi finora sono stati rilevati più di 28.000 asteroidi vicini alla Terra (Near Earth Asteroids, NEA), con un ritmo di 3000 nuove rivelazioni ogni anno. La prossimità alla Terra di questi oggetti non implica necessariamente una probabilità d’impatto, ma è oltremodo necessaria una continua e accurata sorveglianza. Solo stimando le possibilità di collisione con la Terra dei NEA e più in generale dei NEO (Near Earth Objects) è possibile elaborare una strategia di “difesa” da tali eventi.
L’attività di monitoraggio dei NEA, è composta dall’osservazione, la quale deve però essere affiancata a una analisi delle traiettorie. Negli ultimi anni gli strumenti di osservazione hanno conosciuto uno sviluppo tecnologico estremamente importante e si prevede possa continuare in futuro. L’incremento delle capacità osservative si traduce immediatamente in un maggior numero di Near Earth Asteroids rilevati ogni anno. È quindi evidente anche la necessità di aggiornare i sistemi di analisi e previsione delle traiettorie. Per rispondere a queste esigenze la NASA ha sviluppato un algoritmo di monitoraggio dell’impatto di nuova generazione chiamato Sentry-II.
Gli asteroidi vicini alla Terra
Le traiettorie degli asteroidi non sono affatto caotiche e imprevedibili, ma seguono precise leggi della fisica e della meccanica orbitale. Conoscendo posizione e velocità relativa di un asteroide in un certo momento è possibile calcolare l’evoluzione dell’orbita anche dopo molto tempo. Nota la posizione futura della Terra, è quindi possibile valutare la possibilità di un passaggio ravvicinato ed eventualmente di un impatto. Le misurazioni soffrono però di incertezze, che provocano errori nella previsione delle traiettorie. Per questo vengono sviluppati software che computano le varie orbite presenti nella regione di incertezza e riescono quindi a determinare la eventuale possibilità d’impatto.
Credits: JPL, NASA
Da questo link è possibile accedere a una pagina del JPL (Jet Propulsion Laboratory) di NASA nella quale è presente un nuovo Tool di visualizzazione 3D degli oggetti Near-Earth conosciuti. Interagendo con questo strumento è possibile visualizzare le orbite dei vari corpi celesti (compresi asteroidi e comete) in tempo reale e la loro futura evoluzione. Il Tool è aggiornato quotidianamente.
Da Sentry a Sentry-II
Dal 2002 ad oggi CNEOS (Center for Near Earth Object Studies della NASA) ha monitorato il rischio d’impatto rappresentato dagli asteroidi vicini alla Terra attraverso un software chiamato Sentry. La traiettoria di un asteroide nel suo moto nel Sistema Solare è governata dall’attrazione gravitazionale del Sole, ma anche dalla gravità dei pianeti a cui passa vicino. La prima versione di Sentry era capace di calcolare con grande precisione l’interazione gravitazionale dei corpi celesti sull’orbita dell’asteroide, ma non di valutare l’effetto di forze non gravitazionali.
Queste ultime sono per esempio forze di natura termica. Gli asteroidi ruotano su loro stessi esponendo quindi “ciclicamente” una determinata superficie alla luce solare che quindi tenderà a riscaldarsi e raffreddarsi. L’energia infrarossa che viene rilasciata mentre la superficie si raffredda, genera una piccola, ma continua, spinta sull’asteroide. Questo fenomeno è noto come effetto Yarkovsky, che ha poca influenza sul movimento dell’asteroide in brevi periodi, ma può cambiare significativamente il suo percorso nel corso di decenni e secoli.
“Il fatto che Sentry non potesse gestire automaticamente l’effetto Yarkovsky era un limite”, ha affermato Davide Farnocchia, ingegnere di navigazione al JPL che ha anche contribuito allo sviluppo di Sentry-II. “Ogni volta che ci imbattevamo in un caso speciale dovevamo eseguire analisi manuali complesse e dispendiose in termini di tempo. Con Sentry-II, non dobbiamo più farlo”.
Sentry-II “oltre i limiti”
Un altro limite dell’algoritmo Sentry originale era l’impossibilità di prevedere con precisione la probabilità di impatto di asteroidi che subiscono incontri estremamente ravvicinati con la Terra. Il movimento di questi NEA viene significativamente deviato dalla gravità del nostro pianeta e le incertezze orbitali post-incontro possono crescere notevolmente. In quei casi, i calcoli del precedente Sentry risultavano poco attendibili, richiedendo un intervento manuale. Sentry-II non ha questa limitazione.
Dopo l’incontro ravvicinato di un asteroide con la Terra, la regione d’incertezza diventa più grande, rendendo la possibilità d’impatti futuri più difficile da valutare. Credits: NASA/JPL-Caltec
L’ottimizzazione del sistema di calcolo
Quando i telescopi tracciano un nuovo asteroide prossimo alla Terra, gli astronomi misurano le posizioni osservate nel cielo e le segnalano al Minor Planet Center . Il CNEOS utilizza questi dati per determinare l’orbita più probabile dell’asteroide attorno al Sole. A causa di lievi errori nella misurazione della posizione dell’asteroide, la sua “orbita più probabile” potrebbe però non rappresentare la sua orbita reale. La vera orbita è da qualche parte all’interno di una regione di incertezza che può essere visualizzata come una nuvola di possibilità che circonda l’orbita più probabile.
Per calcolare la possibilità di un impatto, il Sentry originale fa alcune ipotesi sull’evoluzione della regione d’incertezza selezionando una serie di punti equidistanti lungo una linea che attraversa tale regione. Ogni punto rappresenta una possibile posizione attuale dell’asteroide leggermente diversa da quella misurata. A questo punto si propagano le orbite a partire dalle diverse posizioni iniziali. Qualora si registri la presenza di una traiettoria prossima alla Terra si procede con ulteriori calcoli. Vengono quindi selezionati ulteriori punti intermedi e si ricercano le traiettorie che eventualmente possono impattare la Terra. A seconda dei punti selezionati e l’arco di tempo considerato è quindi possibile stimare la probabilità d’impatto.
La nuova filosofia di Sentry-II
Credits: CNEOS, JPL, NASA
Sentry-II ha una filosofia diversa. Il nuovo algoritmo modella migliaia di punti casuali nell’intera regione d’incertezza senza formulare alcuna ipotesi sulla sua evoluzione. In questo modo, i calcoli della determinazione orbitale non sono condizionati da ipotesi predeterminate su quali porzioni della regione d’incertezza potrebbero portare a una possibile collisione. Ciò consente a Sentry-II di concentrarsi su scenari d’impatto con probabilità molto bassa, alcuni dei quali Sentry potrebbe aver perso. Farnocchia paragona il processo alla ricerca degli aghi in un pagliaio: gli aghi sono possibili scenari d’impatto e il pagliaio è la regione dell’incertezza. Maggiore è l’incertezza sulla posizione di un asteroide, più grande è il pagliaio.
Sentry colpirebbe casualmente il pagliaio migliaia di volte alla ricerca di aghi situati vicino a una singola linea che si estende attraverso il pagliaio. Il presupposto era che seguire questa linea fosse il modo migliore per cercare gli aghi. Ma Sentry-II non assume alcuna linea e lancia invece migliaia di minuscoli magneti casualmente su quel pagliaio che poi trovano gli aghi vicini.
Con il futuro incremento delle attività di osservazione dei Near Earth Asteroids sarà sicuramente necessario un sistema di calcolo e previsione in grado di sopportare la enorme mole di dati in arrivo. La NASA ha progettato Sentry II appositamente per questo scopo e promette di portare risultati estremamente considerevoli.
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