Vesmírné mise & KosmonautikaAutor: David Pěkník4. srpna 20255 min čtení

Od Bennu k Apophisu: Sonda OSIRIS-APEX míří na nejtěsnější setkání s blízkozemním asteroidem

Po úspěšném doručení vzorků z asteroidu Bennu v září 2023 mise sondy OSIRIS-REx neskončila. NASA schválila její prodloužení pod novým názvem OSIRIS-APEX. Cílem je nechvalně proslulý blízkozemní asteroid Apophis, který se v pátek 13. dubna 2029 přiblíží k Zemi na neuvěřitelných 31 600 kilometrů. Sonda bude v přímém přenosu sledovat, co s asteroidem udělá obrovská slapová síla naší planety.

Sonda OSIRIS-APEX provádí motorický zážeh na své nové trajektorii k asteroidu Apophis. Kredit: NASA / Goddard / University of Arizona

Život po splněném úkolu

V září 2023 sledoval vědecký svět triumfální návrat návratového pouzdra sondy OSIRIS-REx, které sneslo do pouště v Utahu 121 gramů vzácného regolitu z uhlíkatého asteroidu Bennu. Tím však příběh samotné mateřské lodi neskončil. [1]

Sonda po odhození pouzdra minula Zemi a v jejích nádržích zbývala celá čtvrtina původního paliva (cca 200 kg hydrazinu). Všechny palubní přístroje, spektrometry a kamery byly v perfektním technickém stavu. Vedení NASA proto schválilo odvážný plán na využití volné kapacity sondy: přejmenování mise na OSIRIS-APEX (OSIRIS-APophis EXplorer) a vyslání lodi k nejpozoruhodnějšímu blízkozemnímu asteroidu naší éry — (99942) Apophis. [1][2]

13. dubna 2029: Den, kdy Apophis mine Zemi

Asteroid Apophis o průměru přibližně 340 metrů způsobil při svém objevu v roce 2004 celosvětový poplach. Prvotní výpočty dráhy totiž ukazovaly téměř tříprocentní pravděpodobnost, že by mohl v dubnu 2029 narazit do Země. Následná zpřesňující radarová měření z observatoří Arecibo a Goldstone sice riziko srážky pro 21. století spolehlivě vyloučila, přesto půjde o událost tisíciletí. [2]

V pátek 13. dubna 2029 mine Apophis Zemi ve vzdálenosti pouhých 31 600 kilometrů od povrchu:

Proletí pod oběžnou dráhou geostacionárních družic (které obíhají ve výšce 35 786 km).
Bude zhruba desetkrát blíže než Měsíc🪐 AstroWiki EncyklopedieMěsícMěsíc je jediný přirozený satelit Země, pátý největší měsíc Sluneční soustavy, těleso vzniklé obřím impaktem protoplanety Theia a dosud jedi...Otevřít heslo v encyklopedii →.
Nad Evropou, Afrikou a západní Asií bude viditelný pouhým okem jako rychle se pohybující hvězda třetí magnitudy. [2][3]

Těleso této velikosti mine Zemi v tak těsné vzdálenosti v průměru pouze jednou za 7 500 let. Pro vědce jde o jedinečnou, neopakovatelnou laboratorní příležitost.

       GEOMETRIE PRŮLETU APOPHISU KOLEM ZEMĚ (13. DUBNA 2029):
       
       [ ZEMĚ ] 
          │
          │ (vzdálenost 31 600 km)
          ▼
       [ Dráha asteroidu Apophis (rychlost ~30 km/s) ]
          │
          │ (vzdálenost 35 786 km)
          ▼
       [ Pás geostacionárních družic ]
          │
          │ (vzdálenost ~384 400 km)
          ▼
       [ MĚSÍC ]

Slapový šok: Co udělá gravitace Země s asteroidem?

Apophis není monolitický kamenný balvan. Jde o typický „suťový kužel“ (rubble pile) — gravitačně vázanou hromadu kamení, štěrku a balvanů držících pohromadě jen velmi slabou vlastní přitažlivostí. [3]

Až se Apophis přiblíží k Zemi, vstoupí do silného gravitačního gradientu naší planety. Rozdíl gravitační síly působící na přivrácenou a odvrácenou stranu asteroidu vyvolá dramatické slapové napětí:

Země🪐 AstroWiki EncyklopedieZeměZemě je třetí planeta od Slunce, jediný známý svět hostící život, s aktivní deskovou tektonikou, tekutým vodním oceánem pokrývajícím 71 % po...Otevřít heslo v encyklopedii →třesení na asteroidu: Slapové síly rozlámou povrchovou vrstvu a vyvolají sesuvy půdy a laviny sypkého materiálu.
Odhalení čerstvých vrstev: Sesuvy obnaží podpovrchový materiál, který nebyl po miliardy let vystaven účinkům kosmického záření a slunečního větru.
Změna rotace a viklání: Gravitace Země změní spinovou osu asteroidu a způsobí jeho chaotické viklání (tumbling).
Změna orbitální periody: Oběžná dráha Apophisu se vlivem gravitačního praku Země natáhne — zkrátí se jeho doba oběhu z 324 dní na zhruba 260 dní. [3][4]

Úkoly sondy OSIRIS-APEX na orbitě

Sonda OSIRIS-APEX se k Apophisu nepřiblíží během samotného průletu kolem Země, protože gravitační zrychlení asteroidu by znemožnilo zachycení na orbitě. Sonda dorazí k asteroidu přibližně dva týdny po průletu, v květnu 2029, a usadí se na stabilní oběžné dráze, kde setrvá celých 18 měsíců. [1][4]

Přístroj	Úkol u asteroidu Apophis
OCAMS	Fotografování povrchových změn a mapování nových trhlin po průletu kolem Země
OVIRS	Infračervená spektroskopie minerálů a pátrání po hydratovaných silikátech
OTES	Měření tepelné emise a tepelné setrvačnosti materiálu
OLA	Laserový výškoměr pro tvorbu extrémně přesného 3D modelu tvaru asteroidu

V závěrečné fázi mise provede OSIRIS-APEX odvážný manévr: sestoupí do výšky pouhých několika metrů nad povrch Apophisu a zažehne své reaktivní trysky. Proud plynů odfoukne svrchní prachovou vrstvu a odhalí soudržnost a hustotu hornin v hloubce několika desítek centimetrů. Tento experiment poskytne klíčová data pro případnou budoucí planetární obranu, pokud bychom někdy museli odklánět těleso mířící přímo na srážkový kurz se Zemí. [4][5]

„Apophis je ztělesněním potenciálního nebezpečí, ale také neuvěřitelným vědeckým darem. Pozorovat v reálném čase, jak gravitace naší vlastní planety deformuje a přetváří kosmické těleso, je příležitost, která se naskytne jednou za tisíciletí.“

Mise OSIRIS-APEX ukazuje, jak efektivně lze využít stávající kosmické technologie. Bez nutnosti stavět novou miliardovou sondu získá lidstvo unikátní pohled na těleso, které bude v dubnu 2029 fascinovat miliardy lidí pozorujících noční oblohu pouhým okem.

Reference

[1] Lauretta, D. S., et al. (2024). OSIRIS-REx and OSIRIS-APEX: From Carbonaceous Sample Return to Asteroid Deflection Science. Space Science Reviews, 220(2), 18.
https://doi.org/10.1007/s11214-024-01048-3

[2] DellaGiustina, D. N., et al. (2023). OSIRIS-APEX: An Expedition to Asteroid (99942) Apophis. The Planetary Science Journal, 4(11), 198.
https://doi.org/10.3847/PSJ/ad011e

[3] Binzel, R. P., et al. (2024). Tidal interactions and seismic shaking of asteroid Apophis during its 2029 Earth encounter. Icarus, 412, 115982.
https://doi.org/10.1016/j.icarus.2024.115982

[4] DeMartini, J. V., et al. (2024). Spacecraft-induced regolith mobilization on Apophis: Modeling the OSIRIS-APEX thruster plume experiment. Planetary and Space Science, 245, 105890.
https://doi.org/10.1016/j.pss.2024.105890

[5] Farnocchia, D., et al. (2021). Yarkovsky effect and improved orbit determination for asteroid (99942) Apophis. Icarus, 363, 114444.
https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114444

Gravitační slapové síly a seismické otřesy na Apophisu

Průlet asteroidu (99942) Apophis kolem Země v pátek 13. dubna 2029 bude jedinečnou přírodní laboratoří nebeské mechaniky. Sonda OSIRIS-APEX (dříve OSIRIS-REx), která má po úspěšném doručení vzorků z asteroidu Bennu v nádržích stále přes 20 kilogramů hydrazinu, dorazí k Apophisu přibližně šest dní po nejtěsnějším průletu kolem naší planety. Těleso o průměru zhruba 340 metrů mine Zemi ve vzdálenosti pouhých 31 600 kilometrů nad povrchem – tedy hluboko pod drahou geostacionárních telekomunikačních družic ( $r_{\text{GEO}} \approx 35,786\text{ km}$ ).

V této bezprostřední blízkosti způsobí gradient gravitačního pole Země intenzivní slapové pnutí. Výpočty ukazují, že slapové zrychlení vyvolá mechanické napětí překračující vnitřní soudržnost regolitu, což povede k sérii povrchových sesuvů a odhalení čerstvých vrstev materiálu.

Fyzikální mechanismus slapového přeskupení

Slapové síly lze kvantitativně popsat rozdílem gravitačního zrychlení působícího na přivrácenou a odvrácenou stranu asteroidu:

a_{\text{slap}} \approx \frac{2 G M_{\oplus} R_{\text{ast}}}{r^3}

Kde:

$G = 6{,}6743 \times 10^{-11}\text{ m}^3\text{kg}^{-1}\text{s}^{-2}$ je Newtonova gravitační konstanta,
$M_{\oplus} = 5{,}972 \times 10^{24}\text{ kg}$ je hmotnost Země,
$R_{\text{ast}} \approx 170\text{ m}$ je efektivní poloměr Apophisu,
$r \approx 38,000\text{ km}$ je vzdálenost těžiště asteroidu od středu Země v perihelu průletu.

Výsledné slapové síly způsobí:

Změnu rotačního stavu (tzv. tumbling): Apophis rotuje v komplexním nerovnoměrném stavu podél dvou os. Průlet kolem Země změní periodu rotace o desítky minut a otočí polohu rotačního pólu.
Povrchové sesuvy regolitu: Uvolnění prachových zrn odhalí podložní spektrálně „čerstvý“ materiál, který dosud nebyl poznamenán kosmickým zvětráváním (solar wind space weathering).
Seismické vlny: Průchod gravitačním gradientem vyvolá nízkofrekvenční vibrace, které prolétnou celým objemem tělesa.

Srovnání cílů mise OSIRIS-REx a OSIRIS-APEX

Fyzikální parametr	Asteroid (101955) Bennu	Asteroid (99942) Apophis
Spektrální třída	Uhlíkatý typ B (organické látky, voda)	Silikátový typ Sq (olivíny, pyroxeny)
Střední průměr	490 metrů	340 metrů
Hustota	$1{,}19\text{ g/cm}^3$ (porézní rubble pile)	$3{,}2\text{ g/cm}^3$ (hustší kamenné těleso)
Perioda rotace	4,29 hodiny	30,56 hodiny (nerotační tumbling)
Cíl operace APEX	Návrat vzorků pouzdrem na Zemi	18 měsíců na oběžné dráze + plynový zážeh tryskami

Tryskový manévr v závěru mise: Odhalení podloží

V závěrečné fázi výzkumu provede OSIRIS-APEX unikátní dynamický experiment. Podobně jako v říjnu 2020 u Bennu sestoupí sonda do vzdálenosti pouhých několika metrů nad povrch asteroidu. Tentokrát však nepoužije odběrnou hubici TAGSAM, nýbrž přímo zažehne své korekční trysky na stlačený hydrazin.

Proud spalin rozmetá volný regolit a vytvoří umělý kráter o průměru několika metrů. Spektrometry OVIRS a OTES budou bezprostředně v reálném čase monitorovat nově obnažené podložní horniny, což vědcům umožní přímo změřit tloušťku vrchní prachové vrstvy a mechanickou kohezi vnitřku planetky. Pozorování z bezprostřední blízkosti poskytne klíčové kalibrační parametry pro globální systémy planetární obrany pro případné budoucí odklánění nebezpečných těles.