Défense planétaire : mise en ligne du système de surveillance des impacts d’astéroïdes de nouvelle génération de la NASA

Ce diagramme montre les orbites de 2 200 objets potentiellement dangereux telles que calculées par le Centre d’études des objets proches de la Terre (CNEOS) du JPL. L’orbite du double astéroïde Didymos, cible de la mission Double Asteroid Redirect Test (DART) de la NASA, est mise en évidence. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Le nouveau système améliore les capacités de Nasa JPLdu Center for Near Earth Object Studies pour évaluer le risque d’impact des astéroïdes qui peuvent s’approcher de notre planète.

À ce jour, près de 28 000 astéroïdes géocroiseurs (AEN) a été trouvé par des télescopes d’enquête qui scannent continuellement le ciel nocturne, ajoutant de nouvelles découvertes à un rythme d’environ 3 000 par an. Mais alors que des télescopes d’enquête plus grands et plus avancés dynamisent la recherche au cours des prochaines années, une augmentation rapide des découvertes est attendue. En prévision de cette augmentation, les astronomes de la NASA ont développé un algorithme de surveillance d’impact de nouvelle génération appelé Sentry-II pour mieux évaluer les probabilités d’impact de la NEA.

La culture populaire décrit souvent les astéroïdes comme des objets chaotiques qui zooment au hasard autour de notre système solaire, changeant de cap de manière imprévisible et menaçant notre planète sans préavis. Ce n’est pas la réalité. Les astéroïdes sont des corps célestes extrêmement prévisibles qui obéissent aux lois de la physique et suivent des trajectoires orbitales connues autour du Soleil.

Mais parfois, ces trajectoires peuvent être très proches de la position future de la Terre et, en raison de petites incertitudes sur les positions des astéroïdes, un futur impact de la Terre ne peut être complètement exclu. Ainsi, les astronomes utilisent un logiciel sophistiqué de surveillance des impacts pour calculer automatiquement le risque d’impact.

Géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, le Center for Near Earth Object Studies (carthame) calcule chaque orbite NEA connue pour améliorer les évaluations des risques d’impact à l’appui du Bureau de coordination de la défense planétaire de la NASA (PDCO). CNEOS a surveillé le risque d’impact posé par les NEA avec un logiciel appelé Sentry, développé par JPL en 2002.

“La première version de Sentry était un système très performant qui a fonctionné pendant près de 20 ans”, a déclaré Javier Roa Vicens, qui a dirigé le développement de Sentry-II tout en travaillant au JPL en tant qu’ingénieur de navigation et a récemment déménagé à EspaceX. “C’était basé sur des mathématiques très intelligentes : en moins d’une heure, vous pouviez obtenir de manière fiable la probabilité d’impact d’un astéroïde nouvellement découvert au cours des 100 prochaines années – un exploit incroyable.”

Mais avec Sentry-II, la NASA dispose d’un outil qui peut calculer rapidement les probabilités d’impact pour tous les NEA connus, y compris certains cas spéciaux non capturés par le Sentry d’origine. Sentry-II signale les objets les plus à risque dans le CNEOS Table de sentinelle.

En calculant systématiquement les probabilités d’impact de cette nouvelle manière, les chercheurs ont rendu le système de surveillance des impacts plus robuste, permettant à la NASA d’évaluer en toute confiance tous les impacts potentiels avec des chances aussi faibles que quelques chances sur 10 millions.

Cas spéciaux

Lorsqu’un astéroïde traverse le système solaire, l’attraction gravitationnelle du Soleil dicte la trajectoire de son orbite, et la gravité des planètes tirera également sur sa trajectoire de manière prévisible. Sentry a modélisé avec une grande précision la façon dont ces forces gravitationnelles ont façonné l’orbite d’un astéroïde, aidant à prédire où il se trouvera dans le futur. Mais il ne pouvait pas expliquer les forces non gravitationnelles, les plus importantes étant les forces thermiques causées par la chaleur du Soleil.

Lorsqu’un astéroïde tourne, la lumière du soleil chauffe le côté jour de l’objet. La surface chauffée tournera ensuite vers le côté nuit ombragé de l’astéroïde et se refroidira. L’énergie infrarouge est libérée lorsqu’elle se refroidit, générant une poussée infime mais continue sur l’astéroïde. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Yarkovsky, qui a peu d’influence sur le mouvement de l’astéroïde sur de courtes périodes mais peut modifier considérablement sa trajectoire au cours des décennies et des siècles.

“Le fait que Sentry ne puisse pas gérer automatiquement l’effet Yarkovsky était une limitation”, a déclaré Davide Farnocchia, ingénieur en navigation au JPL qui a également aidé à développer Sentry-II. « Chaque fois que nous avons rencontré un cas particulier – comme les astéroïdes Apophis, Bennu ou 1950 après JC – nous avons dû faire des analyses manuelles complexes et chronophages. Avec Sentry-II, nous n’avons plus à faire ça.

À l’aide du réseau Deep Space de la NASA et de modèles informatiques de pointe, les scientifiques ont pu réduire considérablement les incertitudes sur l’orbite de Bennu, déterminant sa probabilité d’impact total au cours de l’année 2300 est d’environ 1 sur 1750 (ou 0,057 %). Les chercheurs ont également pu identifier le 24 septembre 2182 comme la date unique la plus significative en termes d’impact potentiel, avec une probabilité d’impact de 1 sur 2 700 (ou environ 0,037 %). Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA

Un autre problème avec l’algorithme original de Sentry était qu’il ne pouvait parfois pas prédire avec précision la probabilité d’impact des astéroïdes qui subissent des rencontres extrêmement rapprochées avec la Terre. Le mouvement de ces NEA est considérablement dévié par la gravité de notre planète, et les incertitudes orbitales post-rencontre peuvent augmenter considérablement. Dans ces cas, les calculs de l’ancienne Sentry pourraient échouer, nécessitant une intervention manuelle. Sentry-II n’a pas cette limitation.

« En termes de nombre, les cas particuliers que nous trouvions ne représentaient qu’une infime fraction de tous les NEA pour lesquels nous calculions les probabilités d’impact », a déclaré Roa Vicens. “Mais nous allons découvrir beaucoup plus de ces cas particuliers lorsque la mission NEO Surveyor prévue par la NASA et l’observatoire Vera C. Rubin au Chili seront mis en ligne, nous devons donc être préparés.”

Beaucoup d’aiguilles, une botte de foin

Voici comment sont calculées les probabilités d’impact : lorsque les télescopes suivent une nouvelle NEA, les astronomes mesurent les positions observées de l’astéroïde dans le ciel et les signalent au Minor Planet Center. CNEOS utilise ensuite ces données pour déterminer l’orbite la plus probable de l’astéroïde autour du Soleil. Mais comme il existe de légères incertitudes sur la position observée de l’astéroïde, son « orbite la plus probable » pourrait ne pas représenter sa véritable orbite. La véritable orbite se situe quelque part à l’intérieur d’une région d’incertitude, comme un nuage de possibilités entourant l’orbite la plus probable.

Pour évaluer si un impact est possible et déterminer où se trouve la véritable orbite, la sentinelle d’origine ferait quelques hypothèses sur la façon dont la région d’incertitude peut évoluer. Il sélectionnerait ensuite un ensemble de points régulièrement espacés le long d’une ligne couvrant la région d’incertitude. Chaque point représentait un emplacement actuel possible légèrement différent de l’astéroïde.

Sentry avancerait alors l’horloge, regarderait ces « astéroïdes virtuels » en orbite autour du Soleil et verrait s’il y en avait qui s’approchaient de la Terre à l’avenir. Si tel est le cas, des calculs supplémentaires seraient nécessaires pour « zoomer » pour voir si des points intermédiaires pourraient avoir un impact sur la Terre et, s’ils l’ont fait, estimer la probabilité d’impact.

Sentry-II a une philosophie différente. Le nouvel algorithme modélise des milliers de points aléatoires non limités par des hypothèses sur la façon dont la région d’incertitude peut évoluer ; au lieu de cela, il sélectionne des points aléatoires dans toute la région d’incertitude. L’algorithme de Sentry-II demande alors : Quelles sont les orbites possibles dans le tout région d’incertitude qui pourrait frapper la Terre?

De cette façon, les calculs de détermination orbitale ne sont pas façonnés par des hypothèses prédéterminées sur les portions de la région d’incertitude qui pourraient conduire à un impact possible. Cela permet à Sentry-II de se concentrer sur des scénarios d’impact à très faible probabilité, dont certains ont peut-être manqués.

Farnocchia compare le processus à la recherche d’aiguilles dans une botte de foin : les aiguilles sont des scénarios d’impact possibles, et la botte de foin est la région d’incertitude. Plus la position d’un astéroïde est incertaine, plus la botte de foin est grosse. Sentry piquait au hasard des milliers de fois dans la botte de foin à la recherche d’aiguilles situées près d’une seule ligne s’étendant à travers la botte de foin. L’hypothèse était que suivre cette ligne était la meilleure façon de rechercher des aiguilles. Mais Sentry-II ne suppose aucune ligne et lance à la place des milliers de minuscules aimants au hasard partout dans cette botte de foin, qui sont rapidement attirés par les aiguilles à proximité, puis les trouvent.

« Sentry-II est une avancée fantastique dans la recherche de probabilités d’impact minuscules pour une vaste gamme de scénarios », a déclaré Steve Chesley, chercheur principal au JPL, qui a dirigé le développement de Sentry et collaboré à Sentry-II. « Lorsque les conséquences d’un futur impact d’astéroïde sont si importantes, il est avantageux de trouver même le plus petit risque d’impact caché dans les données. »

Une étude décrivant Sentry-II a été publiée dans le Journal astronomique le 1er décembre 2021.

Référence : « A Novel Approach to Asteroid Impact Monitoring » par Javier Roa, Davide Farnocchia et Steven R. Chesley, 1er décembre 2021, Journal astronomique.
DOI : 10.3847 / 1538-3881 / ac193f