Какие алгоритмы вычисляют риск столкновения астероида с Землёй? Почему сначала риск высокий, а потом снижается? Обо всём рассказываем в статье!
16 мая 2025В начале этого года над планетой нависла угроза: расчёты астрономов показали, что астероид 2024 YR4 может врезаться в Землю 22 декабря 2032. Силу столкновения сравнивали с взрывом ядерной бомбы. Но по мере изменения и уточнения координат расчёты скорректировали — и оказалось, что катастрофы не будет.
Объясняем, на основе каких данных и при помощи какого ПО учёные рассчитывают вероятность столкновения астероидов с Землёй.
25 декабря 2024 система телескопов ATLAS в лаборатории Эль-Соус в коммуне Рио-Уртадо в Чили обнаружила новый астероид. Через два дня, после подтверждения наблюдений, информацию опубликовали официально. Изначально риск столкновения с Землёй был 3,1%, но по мере более подробного изучения и наблюдений он снизился до 1,4%, а потом и вовсе почти до нуля.
Все объекты, которые в какой-либо точке орбиты оказываются от Земли на расстоянии менее 1,3 астрономической единицы (это примерно 194 477 232 км), называют околоземными.
Чтобы обнаружить любой околоземный объект, телескоп делает несколько фотографий одного и того же участка неба с небольшим интервалом и сравнивает их. Большинство объектов на этих снимках — звёзды и галактики, и их взаимное расположение на всей серии фотографий одинаковое. А движущийся объект на каждом изображении будет находиться в несколько ином положении — за счёт этого его легко идентифицировать.
Как только объект обнаружен, его координаты и остальную информацию передают в Центр малых планет (ЦМП). Это единственный в мире центр получения и распространения данных о местоположении малых планет, комет и внешних нерегулярных естественных спутников больших планет.
Следующий шаг — вычисление орбиты и внесение объекта в публичный каталог. Общедоступные каталоги ведутся несколькими учреждениями: ЦМП, Лабораторией реактивного движения NASA (JPL), NEODyS6, AstDyS7, а также Координационным центром околоземных объектов (ESA NEOCC).
И завершающий шаг — прогнозирование возможных воздействий и оценка риска.
Точный уровень риска можно определить только после того, как учёные тщательно вычислят орбиту. На это влияет состав астероида, его размер, текущая скорость, форма и огромное количество других параметров. Тут важно помнить, что даже «околоземный» объект находится довольно далеко и разглядеть его с первой попытки — непростая задача.
До тех пор, пока данных мало и объект предварительно движется в сторону Земли, риск столкновения будет держаться на высоком уровне. По мере наблюдений риск, как правило, начинает снижаться, так как орбита вычисляется более точно и учёные считают вероятность столкновения уже не предварительно, а определённо.
За астероидом 2024 YR4 на протяжении двух месяцев пристально наблюдали несколько обсерваторий, чтобы подробнее изучить его размеры, скорость и воздействие разных факторов на траекторию полёта. Все данные выкладывали в открытые источники, к которым обращались ведущие международные обсерватории.
Так учёные смогли рассчитать точную траекторию астероида — и Международная сеть предупреждения об астероидах (IAWN) понизила вероятность столкновения до 0,004%.
За потенциально опасным астероидом наблюдают несколько организаций, включённых в IAWN. Это помогает с разных сторон взглянуть на объект и максимально точно рассчитать траекторию. Все обновления публикуются на странице списка рисков Sentry.
Расскажем о трёх системах, при помощи которых была вычислена орбитальная траектория 2024 YR4.
Эта система в автоматическом режиме сканирует известные данные об астероидах на основе наблюдений и вычисляет риск столкновения с Землёй.
Когда ЦМП объявляет об обнаружении нового околоземного объекта, Sentry автоматически, обычно в течение часа или двух, определяет приоритетность объекта для глубокого анализа риска столкновения. Если даже поверхностный анализ показывает, что Земля в безопасности и орбита вычисляется с высокой точностью, то более глубокий анализ объекта не проводят.
Если есть признаки повышенного риска или неопределённость траектории, Sentry добавляет объект в очередь для нелинейного поиска потенциальных столкновений.
Чтобы установить орбиту, система находит эллиптическую траекторию, которая наилучшим образом соответствует всем доступным данным. Траектория движения корректируется до тех пор, пока прогноз, где астероид должен был появиться в несколько разных моментов, не совпадёт с результатами фактических наблюдений.
По мере того как наблюдений становится больше — часто это занимает несколько лет или даже десятилетий, — точность траектории значительно повышается. Sentry может прогнозировать местоположение объекта на горизонте 100 лет.
Это сайт с динамически обновляющейся информацией об околоземных объектах. Он использует математические модели и алгоритмы для точного определения орбит.
Модели учитывают гравитационное воздействие Солнца, планет и других небесных тел, а также негравитационные силы, например эффект Ярковского (изменение траектории из-за неравномерного нагрева поверхности астероида солнечным светом), прямое радиационное давление и кометное газовыделение. Поэтому ковариационные матрицы для определения траектории астероида могут быть размером до 10 × 10.
Система NEODyS основана на PostgreSQL, которая работает на Linux. База данных автоматически обновляется с учётом самых свежих наблюдений ЦМП. Орбиты рассчитываются с помощью специально разработанного программного пакета OrbFit.
OrbFit состоит из двух частей:
Дистрибутив — его может скачать любой пользователь, у которого установлен Linux. Он содержит библиотеки и исполняемые программы Fitobs, Catpro и Orbfit. Здесь прописаны основные алгоритмы для расчёта орбиты, вычисления эфемерид, анализа сближения и мониторинга столкновений. Ещё дистрибутив включает программное обеспечение ORBIT9 — оно вычисляет траектории орбит астероидов на горизонте далёкого будущего, а также считает показатели Ляпунова и соответствующие им элементы, как аналитические, так и синтетические. Результаты программа выдаёт при помощи графической интерактивной программы фильтрации Фурье.
ПО для поддержки онлайн-систем NEODyS и AstDyS, а также для закрытых научных исследований.
Координационный центр околоземных объектов (ESA NEOCC) использует программное обеспечение Aegis для расчёта орбит и вероятности столкновений с астероидами, отслеживаемыми на портале NEOCC.
Aegis — это ПО, построенное на базе NEODyS. По мере постоянных улучшений и оптимизации алгоритмов программа настолько видоизменилась, что сейчас результаты аналитики наблюдений, основанные на одних и тех же данных, у этих программ различаются. В марте 2025 года у Aegis вышло большое обновление, в котором переписали некоторые алгоритмы расчёта на базе новейших научных публикаций и оптимизировали эффективность вычислений.
Например, на основе этой публикации был обновлён алгоритм обработки визуальных данных. Теперь система обеспечивает более точные оценки светоотражения, что позволяет детальнее определять размер астероида.Также система адаптирована для считывания данных астрометрии в формате ADES (Astrometry Data Exchange Standard), что позволяет получать данные напрямую из обсерваторий, а не через ЦМП. Эти данные планируют плавно интегрировать в расчёты по мониторингу воздействия. ПО устойчиво к изменениям аппаратной инфраструктуры, так как адаптировано для работы в высоковиртуализированных средах. Система работает в частной облачной инфраструктуре ESA, обеспечивая повышенную производительность, масштабируемость и безопасность.
Именно обновлённая версия Aegis использовалась при расчёте траектории астероида 2024 YR4.
Расчёт траектории астероидов строится на алгоритмах, математических и физических формулах, которые включают разные переменные. Например, размер, материал, вес, скорость, расстояние астероида от Земли и от Солнца, степень его нагрева от солнечных лучей, воздействие силы притяжения окружающих планет... Чтобы все эти переменные добыть, их нужно сначала вычислить. Это делается на основе наблюдений, зафиксированных огромными телескопами международного уровня.
Так как смысловое значение переменных и способ их расчёта не у всех лабораторных команд совпадают, часто обсерватории создают своё ПО, которое учитывает наиболее весомые для них переменные при расчёте траекторий.
Но в любом случае все системы следуют общей цели: максимально точно вычислить траекторию небесного тела и определить, в безопасности ли наша планета.
