Umlaufbahnen erdnaher Asteroiden: Wenn Asteroiden die Erde berühren

Erdnahe Kreuzer

Erdnahe Asteroiden oder NEOs (Near-Earth Objects) sind Himmelsobjekte, deren Umlaufbahn die der Erde kreuzt oder streift. Ihre Umlaufbahn ist gekennzeichnet durch aPerigäum weniger als 1,3 Astronomische Einheiten (AE) oder 195000000 km. Diese Objekte werden nach ihren Umlaufbahnparametern hauptsächlich in vier Familien eingeteilt:Liebe(Umlaufbahn außerhalb der der Erde), dieApollosund dieAtens(Umlaufbahnen, die die der Erde schneiden) und dieAtiras(vollständig innerhalb der Erdumlaufbahn).

Erdnahe Asteroiden: Die vier Familien

Die Liebendensind erdnahe Asteroiden, derendie Umlaufbahn bleibt außerhalb der unseres Planeten. Ihr Perihel (der sonnennächste Punkt) liegt zwischen 1,017 AE (minimaler Erde-Sonne-Abstand) und 1,3 AE. Obwohl sie die Erdumlaufbahn nicht direkt kreuzen, werden sie als erdnahe Objekte (Near Earth Objects, NEOs) betrachtet, da sie durch die inneren Planeten gestört werden können und schließlich zu effektiven erdnahen Objekten werden. Beispiele: 1221 Amor oder 433 Eros.

Der Apollosbilden die größte Familie erdnaher Menschen. Sie haben einegroße Halbachse größer als 1 AE und eine Umlaufbahn, die die der Erde schneidet. Ihr Perihel beträgt weniger als 1,017 AE, was bedeutet, dass sie sich innerhalb der Erdumlaufbahn bewegen. Ihre Umlaufbahnexzentrizität ist oft hoch, was sie empfindlich gegenüber Gravitationsstörungen macht. Berühmtes Beispiel: Apollo von 1862, der der Familie ihren Namen gab.

Der Atonhaben ein dem Apollos entgegengesetztes Umlaufverhalten. IhreDie Größe der großen Halbachse beträgt weniger als 1 AE, ihr Aphel überschreitet jedoch 1 AE, was auch dazu führt, dass sie die Erdumlaufbahn kreuzen. Ihre Durchgänge sind in der Nähe der Erde häufiger, da ihre Umlaufzeit weniger als ein Jahr beträgt. Aufgrund ihrer kurzen Laufzeit stellen sie eine Klasse von strategischem Interesse für Weltraummissionen dar. Beispiel: 2062 Aten.

Die Atiras(manchmal auch Apohele-Asteroiden oder IEO für Inner Earth Object genannt) sind die seltensten und am schwierigsten zu entdeckenden.Ihre Umlaufbahn ist vollständig in der der Erde enthalten, mit einem Aphel von weniger als 0,983 AE. Diese Objekte interagieren derzeit nicht mit der Erde, aber ihre Nähe zur Sonne erschwert ihre Beobachtung vom Boden aus. Sie stoßen bei der Weltraumüberwachung auf wachsendes Interesse. Beispiel: 163693 Atira.

Asteroiden: Chaotische und instabile Umlaufbahnen

Erdnahe Umlaufbahnen sind häufigstark elliptisch, manchmal geneigt und empfindlich gegenüberGravitationsstörungen, insbesondere von Riesenplaneten wie Jupiter. Diese Wechselwirkungen ändern im Laufe der Zeit allmählich ihre Flugbahn, ein Phänomen, das durch die Gaußschen Gleichungen und die numerische Integration der Bewegungsgleichungen modelliert wird. Ein Asteroid, dessen minimaler Orbitalschnittabstand (MOID) mit der Erde weniger als 0,05 AE (7500000 km) beträgt, wird als klassifiziertPHA (Potenziell gefährlicher Asteroid).

Warum gilt ein Asteroid mit weniger als 0,05 AE als potenziell gefährlich?

Die Klassifizierung von aPHA (Potenziell gefährlicher Asteroid) basiert auf geometrischen, energetischen und dynamischen Kriterien, unabhängig von der aktuellen Entfernung. Die Schwelle von0,05 AE(entweder7.479.894 km) entspricht aminimaler Schnittabstand von der Erdumlaufbahn (MOID) schwach genug, um eine potenzielle langfristige Bedrohung darzustellen. Dieser Wert weist nicht auf eine unmittelbare Gefahr hin, sondern auf eine Orbitalkonfigurationa priorigünstig für eine zukünftige Kollision, wenn andere dynamische Bedingungen erfüllt sind.

Dieses geometrische Kriterium spiegelt die Möglichkeit wider, dass ein Asteroid zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich die Erdumlaufbahn kreuzt, und zwar unter dem Einfluss von Gravitationsstörungen (insbesondere von Jupiter oder Mars) oder nichtgravitativen Effekten wie zder Yarkovsky-Effekt. Auch wenn der Asteroid derzeit sehr weit entfernt ist, könnte es in Zukunft zu einer Raum-Zeit-Angleichung zwischen Erde und Asteroiden kommen.

Ein Asteroid mit einem Durchmesser von ≥ 140 m, der diese Grenze von 0,05 AE überschreitet, weist eine potenzielle kinetische Einschlagsenergie in der Größenordnung von auf10¹⁷ J, oder ungefähr100 Megatonnen TNT. Das entspricht mehr als7.000 Mal die Hiroshima-Bombe. Bei einer typischen Relativgeschwindigkeit von 20 km/s würde sich ein solches Objekt nur bewegen4,3 Tage7,5 Millionen Kilometer zurücklegen. Die geringe Alarmzeit rechtfertigt eine ständige Überwachung.

Schließlich sind es die Umlaufbahnen von NEOsauf lange Sicht chaotisch. Ein anfänglicher MOID von 0,049 AE kann sich unter dem Einfluss von Orbitalresonanzen oder aufeinanderfolgenden Störungen schnell zu einem MOID entwickeln, der kleiner als der Erdradius ist. Diese Instabilität rechtfertigt die Verwendung des Schwellenwerts von 0,05 AE aswissenschaftliche Vorsorgebarriere. Ein PHA ist also ein Objekt, dessenaktuelle Orbitaleigenschaftenmach espotenziell gefährlich in den kommenden Jahrzehnten oder Jahrhunderten.

Beobachtung und Vorhersage von Flugbahnen

Durch Programme wieCNEOS (Zentrum für erdnahe Objektstudien)werden erdnahe Umlaufbahnen präzise überwacht. Die Berechnung ihrer Umlaufbahn basiert auf astrometrischen Beobachtungen und der Auflösung der gestörten Kepler-Gleichungen:

$$ r(t) = \frac{a(1 - e^2)}{1 + e \cos(\theta)} $$

Dabei ist \( a \) die große Halbachse, \( e \) die Exzentrizität und \( \theta \) die wahre Anomalie. Dieses Modell wird dann korrigiert, um Störungen und nichtgravitative Effekte wie den Yarkovsky-Effekt einzubeziehen.

Wenn Asteroiden die Erde treffen: Besorgniserregende Ansätze

Jedes Jahr nähern sich mehrere Dutzend Asteroiden der Erde in einer Entfernung, die geringer ist als die des Mondes. Diese Ereignisse, genanntenge Ansätze (enge Ansätze), werden von Überwachungszentren wie zCNEOSvon der NASA. Ein Asteroidenpinsel wird durch a definiertExtrem niedriger MOIDund eine zeitliche Konjunktion mit der Erdumlaufbahn. Wenn das Objekt groß ist oder weniger als einige Zehntausend Kilometer zurücklegt, wird die Situation kritisch.

Der Fall des Asteroiden2020 Hauptquartierist symbolisch. Dieses kleine Objekt mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 Metern passierte nur2.950 kmder Erdoberfläche, die16. August 2020. Dies ist die engste Bürste, die jemals für einen nicht einschlagenden Asteroiden beobachtet wurde. Es wurde erkanntNachSein Durchgang verdeutlicht die Grenzen unseres Erkennungssystems, insbesondere für Objekte mit niedriger Albedo, die sich aus Richtung der Sonne nähern.

Ein weiterer bemerkenswerter Fall ist der von2004 FU162, ein 6 Meter großer Asteroid, der nur wenige Stunden vor seinem Vorbeiflug entdeckt wurde6.500 kmder Erde31. März 2004. In dieser Entfernung hat die Schwerkraft der Erde ihre Umlaufbahn erheblich verändert. Diese Gravitationsstörungen können eine harmlose Passage in eine besorgniserregende Zukunftsbahn verwandeln.

Endlich der Durchgang des Asteroiden2023 BUDER26. Januar 2023ist ein spektakuläres Beispiel. Dieses 3 bis 5 Meter große Objekt streifte in einer Höhe von 500 m an der Erde vorbei3.600 kmüber Südamerika. Es kam zu diesem extrem nahen Vorbeifluginnerhalb der Umlaufbahn geostationärer Satelliten. Obwohl die 2023 BU zu klein ist, um am Boden Schaden anzurichten, hätte sie einen strategischen Satelliten stören oder treffen können. Diese Veranstaltung unterstreicht die Bedeutung eines globalen Nahbereichserkennungsnetzwerks.

Planetarische Verteidigung: Sind wir bereit, einen Asteroiden zu stoppen?

Um Risiken zu antizipieren, Missionen wiePFEIL(NASA, 2022) zielen darauf ab, die Ablenkung eines Asteroiden zu testen.

Eine echte, aber seltene Bedrohung

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein großer Asteroid in naher Zukunft mit der Erde kollidiert, bleibt äußerst gering. Da die Folgen eines Einschlags katastrophal wären, scannen Wissenschaftler den Himmel nach erdnahen Objekten (NEO).

Identifizieren Sie die Bedrohung: Überwachung von NEOs

Die ProgrammeESA NEOCCUndNASA CNEOSVerfolgen Sie mehr als 30.000 erdnahe Objekte. Das Large Synoptic Survey Telescope (LSST)Vera Rubin(1928-2016), aktiv ab 2025, verspricht eine noch effektivere Kartierung des Nachthimmels. Mithilfe der Kepler-Orbitalelement-Methode wird jedes NEO mit zunehmender Präzision verfolgt. Allerdings sind kleine Objekte mit einer Größe von einigen zehn Metern nach wie vor am schwierigsten zu erkennen, obwohl sie groß genug sind, um regionale Schäden zu verursachen (wie das Tunguska-Ereignis im Jahr 1908).

DART: die erste Ablenkungsmission

Am 26. September 2022 startete die NASA einen umfassenden Test: die MissionDART (Double Asteroid Redirection Test). Ziel war es, die Flugbahn zu verändernDimorphos, ein 160 m hoher Asteroid, der Didymos umkreist und ihn mit mehr als 6 km/s trifft. Ergebnis: Die Umlaufbahn von Dimorphos wurde um 33 Minuten verkürzt, ein experimenteller Beweis dafür, dass die Flugbahn eines Asteroiden durch kinetischen Aufprall verändert werden kann.

Diese Mission basiert auf einem einfachen, aber anspruchsvollen Prinzip:Impulserhaltung. Ein Hochgeschwindigkeitsaufprall überträgt genug Impuls, um die Umlaufbahn eines Himmelskörpers geringfügig zu verändern. Schon eine kleine Änderung, früh genug umgesetzt, kann ausreichen, um Jahre später eine Kollision mit der Erde zu vermeiden.

Verteidigungsstrategien

• Kinetische Wirkung: Die Flugbahn eines Asteroiden durch kinetischen Aufprall verändern.
• Der Gravitationstraktor: Ein riesiges Raumschiff positioniert sich in der Nähe des Asteroiden und nutzt seine eigene Schwerkraft, um das Objekt langsam aus seiner Bahn zu ziehen.
• Gezielter Energieantrieb: Hochleistungslaser könnten einen Teil der Asteroidenoberfläche verdampfen und so einen Materialstrahl erzeugen, der als Rückstoß wirkt.
• Die Atomexplosion: Als letztes Mittel könnte eine nahe gelegene nukleare Explosion (ohne Kontakt) den NEO fragmentieren oder ablenken. Diese Methode ist umstritten, da sie mehrere Fragmente erzeugen kann, die dennoch potenziell gefährlich sind.

Sind wir bereit?

Auf technologischer Ebene hat die DART-Mission gezeigt, dass wir wissen, wie man einen Asteroiden erkennt, verfolgt und einschlägt. Es bestehen jedoch weiterhin einige Einschränkungen:

• Es ist notwendigJahre vorauseffektiv auf die Flugbahn eines bedrohlichen Objekts einzuwirken.
• Kleine und schnelle Objekte sind schwer rechtzeitig zu erkennen.
• Es gibt noch keinekoordiniertes internationales Reaktionssystem. Die Zusammenarbeit zwischen NASA, ESA und anderen Agenturen ist von entscheidender Bedeutung.

Angesichts einer so unvorhersehbaren kosmischen Gefahr sind wir noch nicht bereit, aber jeder Fortschritt, jede Mission bringt uns der Fähigkeit näher, unseren Planeten zu schützen. Diese globale technologische und organisatorische Herausforderung muss bewältigt werden.