Warum nur die Hälfte von Bennu malen?

TLDR: Es ist nicht so, dass es optimal ist, die Hälfte zu malen, sondern dass es ausreichend ist; mehr brauchst du nicht.

Wir wissen erstaunlich viel über 101955 Bennu und seine Umlaufbahn. DSLauretta et al. fassen dies in ihrem Artikel von 2015 „ The OSIRIS-REx target asteroid (101955) Bennu: Constraints on its physical,geological, and dynamical nature from astronomical observations “ zusammen, der dies über den nicht-gravitativen Einfluss auf seine bestehende Umlaufbahn beinhaltet:

Es wurde festgestellt, dass der Yarkovsky-Effekt die bedeutendste nichtgravitative Beschleunigung ist, die wirkt, um die Umlaufbahn des Asteroiden zu verändern (Chesley et al. 2014). Der Yarkovsky-Effekt ist eine nichtgravitative thermische Kraft, die sich aus der Art und Weise ergibt, wie die Asteroidenrotation die Oberflächentemperaturverteilung von Bennu beeinflusst. Die Absorption von Sonnenlicht und seine anisotrope thermische Wiederemission kann einen kleinen Schub verursachen (Chesley et al. 2003; Bottke et al. 2006). Wenn sich thermische Kräfte mit Umlaufgeschwindigkeitsvektoren ausrichten, erzeugt der Yarkovsky-Effekt eine stetige Drift in der großen Halbachse. Die Messung der Yarkovsky-Beschleunigung für Bennu ist möglich, weil wir über einen Zeitraum von 12 Jahren (zehn Umläufe von Bennu um die Sonne) drei präzise Reihen von Radar-Positionsmessungen erhalten haben. Der Yarkovsky-Effekt erzeugt eine mittlere Änderungsrate der großen Halbachse von Bennu$-1.90(\pm0.01) \times 10^{-3} \rm{AU \: Myr}^{-1}$. Seit seiner ersten Beobachtung im Jahr 1999 ist Bennu infolge dieser Beschleunigung über 160 km gedriftet

Wir haben also eine Messung des viel diskutierten Yarkovsky-Effekts auf diesen Asteroiden. Der Effekt ist eine Kraft, also eine Beschleunigung, die ein wenig von der Entfernung von der Sonne abhängt, aber wir können das über jeden mitteln (sich langsam ändernde Umlaufbahn). Beachten Sie, dass die Verschiebung aufgrund einer konstanten Beschleunigung quadratisch mit der Zeit wächst: Denken Sie daran$d = 1/2 a t^2$?

Das bedeutet, dass zwischen jetzt und Bennus engem Pass im Jahr 2135 der Yarkovsky-Effekt Bennu vorbeizieht$(117 \rm{yr} / 18 \rm{yr})^2 \times 160\rm{km}$, oder etwa 6.000 km.

Der Pass des Jahres 2135 ist interessant, weil er nahe genug an der Erde ist (0,003 AE), dass Bennus Flugbahn erheblich verändert wird. Je nachdem, wie genau es sich verändert hat, kann das Bennu später mit der Erde in Kontakt bringen. Die Arbeit von Steven Chesley et al. aus dem Jahr 2014 „ Orbit and Bulk Density of the OSIRIS-REx Target Asteroid (101955) Bennu “ betrachtet dies sehr detailliert und identifiziert eine große Anzahl kleiner „Schlüssellöcher“, die, wenn sie getroffen werden, eine spätere Kollision verursachen werden:

Es gibt viele von ihnen, aber sie sind alle sehr, sehr klein im Vergleich zu der 6.000 km langen Ablenkung aufgrund des Yarkovsky-Effekts. Beachten Sie, dass die Null nicht auf der Achse liegt: Bennu zielt jetzt auf keinen von ihnen. Das 2182-Fenster ist am nächsten, und das nächste ist 50.000 km (Maßstab der Abbildung beachten) entfernt.

Wenn wir ausreichend genaue Informationen hätten und feststellen würden, dass Bennu auf eines der Schlüssellöcher zusteuert, würde uns sogar eine 20%ige Änderung des Yarkovsky-Effekts ermöglichen, eine (viel spätere) Kollision mit der Erde zu verhindern.

Kehren wir nun zum Gizmondo-Artikel zurück , der Michael Moreau von der NASA mit den Worten zitiert (Hervorhebung hinzugefügt)

„ Sogar nur die Oberfläche auf einer Hälfte mit einer anderen Farbe zu streichen , würde die thermischen Eigenschaften und ihre Umlaufbahn verändern.“

Ich denke, Moreau ist sich der Größe des Yarkovsky-Effekts bewusst und erkennt, dass nur eine (vergleichsweise) kleine Modifikation davon ausreichen würde. Das "nur .. die Hälfte" ist also ein Ausdruck von "wir müssen das Ganze nicht zu 100% mit einem feinen Pinsel abdecken, wir müssen nur die Oberfläche etwas modifizieren"

Es ist also nicht so, dass "das Malen der Hälfte von Bennu effektiver ist als das Malen aller", es ist nicht notwendig, mehr als das Malen der Hälfte zu tun, um sich von der (zukünftigen) Kollision zu entfernen.

Mehr Details zur Orbitaldynamik: Der Yarkovsky-Effekt hängt in einem bestimmten Fall von der Rotation des Asteroiden ab. Bei einem retrograd rotierenden Asteroiden (ja, wir wissen wirklich viel über Bennu) können Sie sich vorstellen, dass er entlang der Tangente zur Umlaufbahn vorantreibt, aber gegen die Bewegung. Das senkt langsam die Umlaufbahn und senkt die große Halbachse um etwa$284 \pm 1.5 \rm{m/yr}$( Chesley ; beachten Sie, dass das Vorzeichen an mehreren Stellen negativ sein sollte): Wenn der Yarkovsky-Effekt erhöht wird, wird Bennu niedriger sein, wenn er die Erde schneidet, näher an der Sonne, aber nicht unbedingt näher an der Erde. Dabei ändert es auch die Umlaufzeit: Dies kann sich über viele Umläufe (viele Jahre) zu einem viel größeren Positionsunterschied summieren, der einem Unterschied in der Ankunftszeit an einem Punkt entspricht.

Bei der Berechnung, ob ein bestimmtes Ereignis, z. B. das Passieren eines Schlüssellochs, eintritt, müssen Sie sowohl die Position als auch die Durchgangszeit berücksichtigen. Chesley diskutiert dies auf Seite 17:

Tabelle 5 zeigt detailliert die Auswirkung verschiedener unterschiedlicher Modelle auf die b-Ebenen-Koordinaten$(\xi_{2135},\zeta_{2135})$der nahen Annäherung bei der letzten zuverlässig vorhergesagten Erdbegegnung für Bennu, die im Jahr 2135 stattfindet. Die B-Ebene ist normal zur eingehenden hyperbolischen Annäherungsasymptote ausgerichtet und wird häufig in der Begegnungsanalyse verwendet. Die (ξ,ζ)-Koordinaten auf der b-Ebene sind so ausgerichtet, dass die projizierte heliozentrische Geschwindigkeit des Planeten mit der −ζ-Achse zusammenfällt. In diesem Rahmen gibt die ζ-Koordinate an, um wie viel der Asteroid früh (ζ < 0) oder spät (ζ > 0) für die minimal mögliche Distanzbegegnung ist. Im absoluten Wert zeigt die ξ-Koordinate die sogenannte Minimum Orbital Intersection Distance (MOID), die die minimal mögliche Begegnungsdistanz ist, die der Asteroid erreichen kann, wenn nur Änderungen des Zeitpunkts der Asteroidenbegegnung angenommen werden. Für eine ausführlichere Diskussion dieser Koordinaten siehe Valsecchi et al.

(Die Tabelle wird im Originalpapier mit vielen Zeilen für andere wirklich interessante Effekte fortgesetzt.) Vergleichen Sie die$\Delta \xi$Wert von einigen zehn km und die$\Delta \zeta$Wert von Tausenden von km zeigt, dass der größte Effekt die Verzögerung ist: Der Yarkovsky-Effekt lässt Bennu zu spät ankommen.

Und deshalb ist die horizontale Achse in Abb. 5 oben in Bezug auf$\zeta_{2135}$; das ist die Verzögerung, die sich ändern würde, wenn Sie die Größe von Bennus Yarkovsky-Effekt ändern.

Mehr Details zum Lackieren: Weiß oder Schwarz?

Entweder "weiße" oder "schwarze" Farbe würde die Größe des Yarkovsky-Effekts auf Bennus Umlaufbahn verändern. Von Lauretta et al.:

Die geometrische sichtbare Albedo (pV) von Bennu ist gut eingeschränkt. Unter Verwendung der Beziehung 2,5 log pV = 15,62 - 5 log D - H, wobei H die absolute Größe (von Hergenrother et al. 2013) und D die Asteroidengröße (von Nolan et al. 2013) ist, wird pV auf 4,5 +/- 0,5 %. Die Anwendung einer bekannten Korrelation zwischen der Steigung der linearen Phasenfunktion und der Albedo von Asteroiden (Belskaya und Shevchenko 2000; Oszkiewiczet al. 2011) ergibt eine Albedo von 3,0–4,5 %, basierend auf der Steigung der Phasenfunktion von Bennu von 0,040 Mag/Grad (Hergenrother et al. 2013). Nahinfrarot-spektroskopische Daten zeigen einen thermischen Schweif von 2 Mikron in Längsrichtung (Abb. 5), was einer Albedo von 4 +/1 1 % entspricht (Clark et al. 2011). Spitzer-Photometriemessungen in Kombination mit sichtbarer Photometrie begrenzen die Albedo auf 4,3 +/- 0,3 % (Emery et al. 2014). OSIRIS-REx hat eine geometrische Albedo von 4,5 +/- 0 angenommen.

Es ist einfacher, eine Albedo von 4 % (mit weißer Farbe) zu erhöhen, als sie zu senken (mit schwarzer Farbe). Aber es geht um mehr als das, denn verschiedene Farben erfordern unterschiedliche Massemengen, um eine Deckkraft zu erreichen, haben unterschiedliche Verfahren zum Auftragen usw. Es wurden sowohl hellere als auch dunklere Pigmente untersucht: Zum Beispiel untersuchten S Ge und Hyland sowohl Ruß ( dunkel) und TiO2 (weiß). (Siehe auch die These von Shen Ge ) Dunkle Pigmente sind tendenziell effektiver pro kg Farbe, aber ich glaube nicht, dass es ein vollständiges Verständnis aller Alternativen gibt. Die Forschung wird fortgesetzt.

Was ist besser, um eine Kollision zu vermeiden, mehr oder weniger Yarkovsky-Effekte?

Es ist wichtig zu beachten, dass die Antwort im Moment "weder noch" lautet. Soweit wir wissen, wird Bennu in den nächsten paar Jahrhunderten nicht mit der Erde kollidieren. Aber wir könnten uns irren: Es ist schwierig, die Bewegung so lange zu extrapolieren (werfen Sie einen weiteren Blick auf die Liste der Effekte in Abbildung 5 von Lauretta et al .). Wir könnten falsch liegen. Irgendwann in der Zukunft könnten wir also entdecken, dass Bennu auf dem Weg zur Erde ist.

Höchstwahrscheinlich wird diese (eventuelle) Kollision auf eine frühere Erdinteraktion folgen , die Bennu zur Kollision abgelenkt hat. Das ist eines der oben erwähnten Schlüssellöcher. In gewisser Weise macht das das Umleitungsproblem einfacher, aber das Extrapolationsproblem schwieriger.

Das Ablenkungsproblem ist einfacher, weil ein Schlüsselloch viel kleiner ist als die Erde. Typischerweise ein paar Kilometer bis vielleicht ein paar hundert Kilometer breit, braucht es viel weniger Änderungen in der Umlaufbahn, um eine zu verfehlen, als um die Erde zu verfehlen. (Sie haben etwas weniger Zeit, da die Schlüsselloch-Interaktion früher stattfindet, aber im Allgemeinen ist das Größenverhältnis wichtiger).

Beachten Sie jedoch, dass Sie, wenn Sie den Asteroiden modifizieren, den Pfad vor und nach der Schlüssellochbegegnung ändern: Im schlimmsten Fall können Sie das Schlüsselloch verfehlen, aber der Asteroid nimmt einen anderen Pfad, der jetzt zu einer anderen Kollision führt, und Sie haben das Ganze mit entweder mehr oder weniger (!!) Zeit zu wiederholen, um es durchzuziehen. Es ist sehr wichtig, diese neuen Pfade genau vorhersagen zu können.

Die Missionsplanung ist also schwierig. Wir werden besser darin, Umlaufbahnen (und Asteroidenstörungen) vorherzusagen, was gut ist. Wir haben ein bisschen Zeit AFAIK. Und wenn wir feststellen, dass wir eine Umlaufbahn wirklich ändern müssen, um eine Kollision zu vermeiden, könnte diese Änderung entweder mehr oder weniger Yarkovsky-Beschleunigung beinhalten, also könnten wir entweder nach weißer oder schwarzer Farbe aussenden.

Ziel der Bemalung der Asteroidenoberfläche ist nicht nur, den auf die Oberfläche wirkenden Sonnenstrahlungsdruck zu verändern. Der wahrscheinlichere Grund ist, den Yarkovsky-Effekt auf den Asteroiden zu verändern ( https://en.wikipedia.org/wiki/Yarkovsky_effect ).

Der Yarkovsky-Effekt ist im Wesentlichen eine anisotrope Emission von thermischen Protonen. Da die Emission anisotrop ist, gibt es immer einen Nettoimpuls, der eine sehr sehr kleine Kraft auf den Asteroiden ausüben kann. Das Ziel der Bemalung einer Hälfte der Oberfläche besteht nun darin, wahrscheinlich die Oberflächentemperatur eines Teils der Oberfläche zu modifizieren und dadurch den täglichen Yarkovsky-Effekt zu erhöhen (denken Sie an Tag und Nacht).

Interessante Trivia: Die Mission Osiris-Rex wird diesen Effekt auf Bennu untersuchen.

Mehr zum Konzept können Sie in dieser Masterarbeit nachlesen: https://oaktrust.library.tamu.edu/bitstream/handle/1969.1/ETD-TAMU-2011-08-10184/GE-THESIS.pdf?sequence=2&isAllowed= j

Es gibt einen starken wirtschaftlichen Grund, nur die Hälfte von Bennu zu malen.

Mit einem mittleren Radius von etwa 250 Metern und einer mehr oder weniger kugelförmigen Form beträgt die Oberfläche von Bennu etwa 786.000 m$^2$.

Ein kg Farbe reicht für nicht viel mehr als 20 m$^2$Oberfläche von Bennu, ohne Berücksichtigung der Schwierigkeit, den Regolith zu bedecken.

Dies bedeutet einen Massenunterschied von mehr als 18.000 kg Farbe zwischen der Bedeckung der halben oder der gesamten Oberfläche von Bennu.

Es ist klar, dass im Vergleich zu den fast 4000 kg des MSL - Raumfahrzeugs mindestens 4 weitere Raumfahrzeuge erforderlich wären, um die Farbe zu tragen, die benötigt wird, um ganz Benno abzudecken, über den anfänglichen 4, um "nur" die Hälfte abzudecken.