La nave espacial Hera de la Agencia Espacial Europea (ESA) para la defensa planetaria se está preparando para un viaje al lejano asteroide Dimorphos que orbita alrededor de su cuerpo principal, Didymos. Una de las primeras características que Hera buscará es el cráter dejado en Dimorphos por su misión predecesora Dart, que impactó en el asteroide para desviar su órbita. Sin embargo, un nuevo estudio de simulación de impacto reportado en Nature Astronomy sugiere que no se encontrará ningún cráter, sino que el impacto haya remodelado todo el cuerpo en su lugar, un hallazgo significativo tanto para la ciencia de asteroides como para la defensa planetaria.
El 26 de septiembre de 2022, la nave espacial Dart de aproximadamente media tonelada impactó el asteroide Dimorphos cubierto de rocas a una velocidad de 6,1 kilómetros por segundo. Este primer experimento en el método de impacto cinético para la desviación de asteroides fue exitoso: observaciones desde la Tierra muestran que la órbita de 11 horas y 55 minutos de Dimorphos alrededor de su asteroide principal, Didymos, se acortó en alrededor de 33 minutos (medido con un nivel de incertidumbre de más o menos un minuto).
Lo que los investigadores aún no saben es cómo reaccionó el asteroide en su totalidad al impacto de la nave espacial, o la eficiencia general de la transferencia de momento. Calcular este último valor de ‘factor beta’ requiere un conocimiento preciso de la masa del asteroide que eventualmente será medida por Hera.
También se necesita para derivar el factor beta una medición precisa del retroceso del material que salpicó hacia el espacio. Por el momento, han surgido pistas tentadoras, incluyendo imágenes adquiridas por el LICIACube italiano cercano durante hasta cinco minutos y 20 segundos después del impacto de DART, además de imágenes de los telescopios espaciales James Webb y Hubble, así como telescopios terrestres. Todos muestran una gran pluma de escombros que se extendió más de 10.000 kilómetros en el espacio y persistió durante meses.
Para obtener una vista cercana del Dimorphos después del impacto, los científicos tendrán que esperar la llegada de la nave espacial Hera de la ESA. Programada para ser lanzada este octubre, Hera llegará a Dimorphos a finales de 2026, equipada con una serie de instrumentos y mini satélites ‘CubeSats’ para evaluar la composición, estructura y masa de Dimorphos, y revelar cómo el impacto de alta velocidad lo ha transformado.
Mientras tanto, un equipo de investigación internacional ha obtenido una visión avanzada del impacto de Dart al simularlo con el código de impacto hidrodinámico de partículas suavizadas de Bern (SPH). Este sistema de software, desarrollado en la Universidad de Bern durante más de dos décadas, está diseñado para replicar la fragmentación colisional de cuerpos rocosos.
SPH de Bern funciona convirtiendo cuerpos en colisión en millones de partículas cuyo comportamiento al impactar está determinado por la interacción de varias variables reconfigurables, como la gravedad del asteroide, la densidad o la resistencia del material. Ha sido validado por experimentos de laboratorio y también se ha utilizado para reproducir una prueba de impacto de asteroides existente: cuando la nave espacial Hayabusa2 de Japón impactó un pequeño impactador de cobre en el asteroide Ryugu en 2019.
«El código se ejecuta en un Clúster de Computación de Alto Rendimiento aquí en la Universidad», explica Sabina Raducan del Instituto de Física de la Investigación Espacial y Planetaria de la Universidad de Bern, quien lidera el equipo y copreside el Grupo de Trabajo de Física de Impacto de Hera.
«Este es un proceso computacionalmente intensivo, con cada simulación que tarda alrededor de una semana y media en ejecutarse, y ejecutamos alrededor de 250 simulaciones en total, reproduciendo las primeras dos horas después del impacto. Incorporamos todos los valores que conocíamos, como la masa de la nave espacial Dart, la forma aproximada del asteroide, la desviación orbital y el tamaño de la pluma de impacto, mientras variamos los factores que no conocemos, como la proximidad del empaque de rocas, su densidad, la porosidad del material y su cohesión general. También hicimos algunas suposiciones razonables basadas en las propiedades físicas de los meteoritos que se asemejan a Dimorphos. Entonces, lo que hicimos fue verificar cuál de los resultados de ejecución de simulación se ajusta más de cerca a la realidad observada. Los resultados indican que Dimorphos es un asteroide de un montón de escombros, relativamente débil, mantenido unido por la gravedad extremadamente débil del asteroide en lugar de la resistencia cohesiva. Esto ayuda a explicar la eficiencia inesperadamente alta de la desviación orbital de DART», explica Sabina Raducan.
«Un evento de formación de cráter normalmente concluye debido a la fuerza de gravedad o la resistencia del material que se está formando», agrega Martin Jutzi de la Universidad de Bern, también copresidente del Grupo de Trabajo de Física de Impacto de Hera. «En la Tierra, la fuerza de gravedad es tal que la formación de cráteres ocurre brevemente, produciendo un ángulo de cono de formación de cráteres típico de alrededor de 90 grados. Lo que vimos con el impacto de DART en Dimorphos fue un ángulo de cono de expulsión mucho más amplio que se extendía hasta 160 grados, influenciado principalmente por la forma curva de la superficie del asteroide. Y el cráter siguió expandiéndose, porque tanto la gravedad como la cohesión del material son tan bajas».
Sabina agrega que «lo más probable es que el cráter haya crecido para abarcar todo el cuerpo en sí, de modo que Dimorphos terminó siendo completamente remodelado. Como consecuencia, Hera probablemente no podrá encontrar ningún cráter dejado por DART. Lo que descubrirá en su lugar será un cuerpo muy diferente. Nuestras simulaciones sugieren que Dimorphos ha tenido su forma inicial de platillo volador embotada en su lado de impacto: si piensa en Dimorphos como comenzando a parecerse a un M&M de chocolate, ahora parecería que le han dado un mordisco».
Este cambio también habrá tenido consecuencias para la órbita de Dimorphos alrededor de su padre Didymos. Para ayudar a interpretar los resultados del remodelado simulado, el equipo hizo uso de imágenes estereoscópicas preparadas por el guitarrista de Queen y astrofísico Sir Brian May con su colaboradora Claudia Manzoni.
Este evento prolongado de formación de cráteres aumentó considerablemente la eficiencia de la desviación; el equipo estima que el 1% de toda la masa de Dimorphos fue arrojado al espacio por el impacto de Dart, gracias a su baja velocidad de escape de solo 10 centímetros por segundo. Y alrededor del 8% de la masa del asteroide se desplazó alrededor de su cuerpo.
Y si Dimorphos es un montón de escombros, colgando en órbita más como un racimo de uvas que como un monolito sólido, entonces este hallazgo también tiene consecuencias importantes para el origen probable del cuerpo. Fortalece la hipótesis de que la luneta fue formada por un pasado ‘giro’ de su padre lanzando material ecuatorial al espacio que luego se cohesionó debido a la gravedad.
«La imagen general con la que terminamos, de Dimorphos como un cuerpo casi sin cohesión formado principalmente por la débil fuerza de gravedad, parece estar de acuerdo con nuestras observaciones cercanas de otros asteroides», señala Patrick Michel, Director de Investigación del CNRS en el Observatoire de la Côte d’Azur en Niza e Investigador Principal de Hera.
«Ryugu, visitado por Hayabusa2, y Bennu, visitado por la nave espacial OSIRIS-REx de la Nasa, son asteroides de carbono ricos de clase ‘C’, muy diferentes de los asteroides de clase ‘S’ ricos en silicato Didymos y Dimorphos, pero todos parecen poseer una falta comparable de cohesión. Todavía necesitamos comprender y aclarar este comportamiento, porque no podemos hacer estadísticas solo con un trío de asteroides, pero una falta general de cohesión para todos los pequeños asteroides es una sugerencia intrigante, y sería una buena noticia para la defensa planetaria, porque si sabemos de antemano cómo reaccionará un cuerpo, esto facilitará el diseño de las herramientas de desviación apropiadas».
Proveniente de 24 instituciones en total, el equipo forma parte del más grande Grupo de Trabajo Científico de Hera. Están ansiosos por descubrir si las últimas observaciones de sus colegas del sistema Didymos validan aspectos de su modelado, como la forma alterada del asteroide y las perturbaciones orbitales resultantes, que eventualmente serán completamente aclaradas por Hera.