Угроза из космоса: почему пять лет назад болид над Челябинском стал для всех полной неожиданностью

Пятнадцатого февраля исполнилось пять лет со дня появления в небе над Челябинском крупного метеороида, вызвавшего переполох в городе и привлекшего к себе интерес астрономов всего мира. Что произошло в тот день? Может ли подобное повториться? Что человечество делает и может сделать, чтобы такие события, как минимум, не происходили внезапно, и чтобы мы, как максимум, нам научились парировать подобные угрозы? С этими вопросами редакция журнала "N + 1" обратилась к астроному Леониду Еленину, сотруднику Института прикладной математики РАН, для которого происшествие над Челябинском имело особое значение.

Пятнадцатое февраля 2013 года началось для меня неожиданно — в 7:30 утра мне позвонили из одной из госструктур с вопросом: «Что произошло над Челябинском?» Когда пришло понимание, что же все-таки произошло, главным вопросом стал другой: почему мы заблаговременно не обнаружили это тело? Пикантности ситуации добавляло и то, что в этот же день мимо Земли, но на безопасном расстоянии от нее, должен был пролететь известный околоземной астероид 2012 DA14, а за день до описываемых событий, выступая на пресс-конференции, я заверил собравшихся, что ни один из известных астероидов в ближайшем будущем нам не угрожает. Первый же беглый анализ данных с видеокамер показал, что болид не имеет никакого отношения к астероиду 2012 DA14, и стало понятно, почему этот метеороид подкрался к нам незамеченным... Но обо всем по порядку.

Для начала давайте разберемся, что это вообще за объекты, откуда они берутся, как их обнаруживают и почему челябинский гость физически не мог быть обнаружен существующими средствами контроля космического пространства.

Запись с видеорегистратора одного из челябинских водителей, 15 февраля 2013 года

Телескопы наизготовку

Первый астероид, сближающийся с Землей (АСЗ), был обнаружен в 1898 году. Впоследствии он получил номер 433 и имя — Эрос. Да, да, это тот астероид из сериала «Пространство» ("The Expanse"). В то время его орбита казалась уникальной, ведь большинство астероидов обращаются вокруг Солнца в Главном поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера.

Спустя примерно 100 лет в области фиксации изображений произошла революция — фотопластинки ушли в историю, а на их место стали внедрять ПЗС-камеры. Переход от аналоговой информации к «цифре» произвел революцию и в астрономии, в том числе в области позиционных наблюдений малых тел Солнечной системы, к коим и относятся астероиды и кометы. Новая техника позволила быстро и с высокой точностью определять координаты небесных объектов, рассчитывать их орбиты и автоматизировать процесс обнаружения новых объектов на полученных кадрах, ведь раньше этим занимались вручную на устройствах, называемых блинк-компараторами.

Постепенно у астрономов появилось понимание, что объекты, подобные Эросу, достаточно распространены в Солнечной системе и что по теории вероятности они могут сталкиваться с планетами. Это был лишь первый шажок на пути к пониманию проблемы астероидно-кометной опасности (АКО).

В 1980 году ученые — отец и сын Альваресы — сформулировали теорию столкновения Земли с крупным небесным телом (диаметром 8–10 километров) в далеком прошлом и связали образование гигантского кратера Чиксулуб в Мексиканском заливе с вымиранием динозавров. Дальше — больше. Так, в 1983 году всего в 4,67 миллиона километров от Земли пролетела только что открытая комета C/1983 H1 (IRAS-Araki-Alcock). Размер ее ядра был сопоставим с телом, столкнувшимся с Землей 65 миллионов лет назад.

Последней каплей стало столкновение кометы P/1993 F2 (Shoemaker-Levy 9), а точнее цепочки ее осколков, c Юпитером. Комета была обнаружена в 1993 году, уже разорванной притяжением планеты-гиганта, и вопрос столкновения с планетой был лишь вопросом времени. Седьмого июля 1994 года 21 фрагмент кометы, каждый размером до двух километров, вошел в атмосферу Юпитера. Общее энерговыделение составило около 6 миллионов мегатонн, что в 750 раз больше всего ядерного потенциала, накопленного на Земле!

Рисунок 1. Количество открытых за последние десятилетия астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ). Красным цветом обозначены объекты диаметром от километра и больше, оранжевым — 140 метров и более, синим — все остальные.

После всех этих событий в США была принята государственная программа поиска опасных небесных тел, сближающихся с Землей. В 1998 году первый обзорный телескоп заступил на дежурство. В течение нескольких лет по этой теме начали работать еще несколько инструментов, и результат не заставил себя ждать. На рисунке 1 изображена статистика открытий АСЗ с 1980 года, которая говорит сама за себя.

В настоящий момент по тематике АКО работают несколько выделенных инструментов с диаметром главных зеркал до 1,8 метра. Многие телескопы, начинавшие свою работу 20 лет назад, прошли модернизацию — на них были установлены новые ПЗС-камеры колоссальных размеров. Например, мозаика ПЗС-чипов телескопа Pan-STARRS имеет диаметр полметра. Назревает вопрос: ну сейчас-то мы бы уже смогли заблаговременно открыть челябинский метеороид? Нет! И вот почему.

Трудно обнаружить

Все околоземные астероиды делятся на три семейства, в зависимости от их орбиты. Все они имеют афелии (наиболее удаленная от Солнца точка орбиты) вне орбиты Земли, поэтому их удается обнаруживать. Но ученые задались вопросом: а нет ли таких же объектов, обращающихся вокруг Солнца внутри орбиты Земли и опасно сближающихся с нашей планетой вблизи своего афелия?

Если орбита небесного тела находится внутри земной орбиты, то наблюдать его достаточно сложно, даже если это планета. Не зря Венеру называют «утренней звездой». Она видна на нашем небе в сумерках, вечером или утром. Но это очень яркий объект, а как же обнаружить небольшие астероиды на еще не темном, сумеречном небе? Такой опыт был поставлен. Телескоп, установленный высоко в горах, наводили на области над самым горизонтом, когда Солнце уже погружалось за него. Проницание телескопов (способность обнаруживать тусклые объекты) на светлом небе катастрофически снижается, но даже в таких условиях удалось открыть несколько объектов, которые отнесли к новому семейству околоземных астероидов. Этот опыт показал, что, если мы не видим какие-то объекты, это не значит, что их нет (эффект наблюдательной селекции).

Сразу отвечу на вопрос про применение радиотелескопов. Да, они могут работать и днем, но в настоящий момент их диаграмма направленности (угол зрения) очень мал и не позволяет осуществлять поиск объектов на больших расстояниях. Сейчас для лоцирования астероидов часто необходима оптическая поддержка — телескопы уточняют орбиту небесного тела и радиотелескоп наводится по уже уточненным координатам.

Челябинский метеороид не относился к этому семейству внутренних АСЗ (семейство Атиры), но приближался к нам со стороны Солнца, и в этом была главная причина того, что он не был обнаружен. Другая причина связана с его малым размером. До входа в атмосферу его диаметр составлял примерно 17 метров. Характерное время упреждения при обнаружении объектов такого размера — менее суток, когда они совсем близко подходят к Земле и современные телескопы могут их детектировать.

Кстати, челябинское событие достаточно сильно встряхнуло умы ученых, занимающихся проблематикой АКО. Ранее считалось, что объект менее 50–80 метров в диаметре не сможет причинить большого вреда людям, так как сгорит в атмосфере. События над Челябинском показали, что это не так. Все разрушения были вызваны не столкновением самого тела с поверхностью Земли, а с воздушным взрывом на высоте примерно 19 километров. Напомню, что пострадало более тысячи человек. Если бы это произошло над густонаселенными районами Европы или Японии, пострадавших было бы значительно больше. Так что сейчас ученые понимают, что поиск астероидов декаметрового размера (десятки метров в поперечнике) является важной задачей АКО.

Для такого поиска стали привлекать крупные телескопы, работающие по астрофизическим и космологическим задачам. Например, модернизированный 4-метровый телескоп, занимающийся поиском темной энергии, — Dark Energy Camera (DECam). Через несколько лет в Чили должен заработать обзорный телескоп нового поколения — Large Synoptic Survey Telescope (LSST), с диаметром главного зеркала 8,3 метра! Этот инструмент намного расширит область обнаружения небольших околоземных объектов. Но все это не решит проблему внутренних АСЗ.

Рисунок 2. Либрационные точки (точки Лагранжа). Точки L1, L4, L5 особенно удобны для того, чтобы, переместившись к ним, оценивать угрозу Земле со стороны летящих к ней астероидов.

Для ее эффективного решения необходимо запускать поисковые телескопы в космос, и не просто в космос, а подальше от Земли. Например, в либрационные точки (точки Лагранжа) L1, L4, L5 (рисунок 2). В этом случае мы будем смотреть на Землю как бы сбоку, что позволит обнаруживать опасные объекты, приближающиеся к нашей планете со стороны Солнца. По теоретическим расчетам, еще большую эффективность обнаружения даст размещение космических аппаратов на орбите Венеры или Меркурия.

Техническая реализация таких проектов осложнятся необходимостью передачи больших объемов данных на огромные расстояния. Для точки L1 это 1,5 миллиона километров, для L4/L5 — 150 миллионов километров, ну а для орбиты Венеры оно колеблется от 38 до 261 миллиона километров. Здесь потребуется найти баланс между двумя подходами. Что лучше, передавать «сырые» кадры на Землю и уже тут, на мощных компьютерах, выжимать из них максимум информации — в нашем случае детектировать даже самые тусклые объекты — или передавать только измерения, а всю упрощенную обработку вести на борту? Скорее всего, будет применен симбиоз обоих подходов. И это только одна из многих сложных технических задач, которые придется решить ученым и инженерам.

Теоретические проработки таких миссий ведутся, в том числе и в России. Только после того как мы сможем массово обнаруживать внутренние АСЗ и изучать их популяцию, мы сможем закрыть один из вопросов АКО в части обнаружения опасных объектов. Но это еще не все. Хорошо, спросите вы, мы обнаружили объект, летящий на столкновительной траектории к Земле, а что дальше?

Еще труднее «сбить»

Если говорить реально, то пока мы можем лишь рассчитать время и место падения. То есть, оповестить специальные службы и постараться эвакуировать население из опасного района. Для этого нужно увеличивать характерное время упреждения с нескольких часов до нескольких суток. Если говорить о парировании угрозы, то тут все не так просто. Если это экстренный случай и опасность грозит нам в самом ближайшем будущем, то выбор невелик — это либо чисто кинетическое воздействие (удар болванкой), либо взрывное, вкупе с кинетическим (заглубляем заряд и подрываем его).

Вроде бы все красиво и даже достаточно реализуемо. Малые тела мы уже успешно бомбардировали, заряд есть, дежурные носители-перехватчики можно создать, но есть не несколько «но».

Во-первых, этот подход касается только сравнительно небольших объектов. Хорошая новость заключается в том, что подавляющее большинство больших АСЗ мы уже знаем и реальной угрозы, на горизонте пары сотен лет, они собой не представляют. Но остаются еще неизвестные кометы, которые, как мы видим, могут приближаться к Земле.

Во-вторых, чтобы попасть в объект, надо хорошо знать его орбиту, а для этого требуется длительное время наблюдения (наблюдательная дуга). Если же объект обнаружен за несколько суток до столкновения, даже если у нас перехватчик стоит под парами, то можем и не попасть.

И в-третьих, описанные выше методы не контролируемые — то есть, разрушив один большой объект, мы можем получить облако осколков, которые войдут в атмосферу, и далеко не все из них сгорят. И тут еще вопрос, что лучше: один большой объект или рой его осколков. Или мы можем кинетическим воздействием сдвинуть астероид не так, как нам хотелось бы, переместив его, к примеру, на орбиту с еще большей вероятностью столкновения. Поскольку мы не пишем сценарий нового блокбастера, то все может пойти далеко не так, как задумано…

Если объект опасен для нас в среднесрочной перспективе, на интервале десятков лет, то тут можно использовать методы мягкого и, что немаловажно, контролируемого воздействия. Для неподготовленного человека они могут показаться достаточно странными, но они действительно могут сработать, если у нас в запасе есть десятки лет. Например, мы можем разместить вблизи астероида небольшой космический аппарат, который будет притягивать астероид — так же как и астероид будет притягивать к себе аппарат, но, конечно, с большей силой, ведь огромная глыба намного массивнее. В этом случае мы можем очень точно рассчитать воздействие и предсказуемо, очень медленно, изменить орбиту небесного тела.

Можно посадить космический аппарат на поверхность астероида и менять его орбиту двигателями малой тяги. Посадка на астероид или ядро кометы давно не фантастика — это уже было реализовано. Можно даже покрасить астероид! Да-да, покрасить одну сторону астероида в белый цвет, чтобы она отражала солнечный свет, а вторая, неокрашенная сторона при этом нагревалась, излучая тепловую энергию, способную придать астероиду дополнительное ускорение (эффект Ярковского). Зная форму астероида и параметры его вращения вокруг своей оси, можно рассчитать, как именно необходимо его окрасить для достижения требуемого результата.

Таков краткий обзор проблематики АКО, хотя, конечно, эта тема намного обширнее и глубже. Есть те, кто говорит, что эта проблема не заслуживает внимания, ведь вероятность крупного столкновения очень мала. Да, это так, и задача настоящих ученых — не пугать, а предупреждать. Пусть вероятность и правда очень мала, но и цена бездействия — миллионы и миллиарды жизней, а может, и судьба всей цивилизации. У человечества есть все для того, чтобы не пойти по печальному пути динозавров (хотя для нас падение небесного тела в Мексиканском заливе оказалось счастливым событием — первые млекопитающие вытянули тогда свой счастливый билет).

Поэтому нам необходимо сделать все, чтобы сохранить наш мир, и это относится, конечно, не только к астероидно-кометной опасности. Всем добра и почаще смотрите на ночное небо — оно очень красиво и таит еще много загадок, которые нам предстоит разгадать!

Леонид Еленин