(En) Figure 1: Image of Dimorphos taken by the DRACO camera on board the DART spacecraft, 11 seconds before impact at a distance of 68 km. (Fr) Figure 1 : Image de Dimorphos prise par la caméra DRACO à bord de la sonde DART, 11 secondes avant l’impact à 68 km de distance.
Results of the first asteroid deflection test by NASA’s DART mission
(en français ci-dessous)
The first results of the first asteroid redirection test by NASA’s DART mission are the subject of a series of five articles published in the journal Nature, three of which were contributed by a researcher from the CNRS, Observatoire de la Côte d’Azur, Laboratoire Lagrange, NEO-MAPP Coordinator and Principal Investigator of the ESA Hera space mission that will rendezvous with DART’s target and fully document the DART impact outcome in early 2027.
NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART) mission successfully carried out a high-speed impact of an artificial probe on the asteroid Dimorphos, the satellite of the binary asteroid (65803) Didymos, at 23:14 UTC on September 26, 2022, as part of the first planetary defence test. This is a full-scale test, while no known identified asteroid threatens us, but we are seeking to have the means to protect ourselves in the long term so as not to be subjected to an improvisation with potentially dramatic consequences.
In the first article, the authors estimate the momentum transferred by the impact of the probe to the small moon Dimorphos, 151 metres in diameter. The moon initially orbited its central body, Didymos, 800 metres in diameter, in 12 hours 55 minutes. Observations from Earth showed that the impact reduced this orbital period by 33 minutes to 12 hours 22 minutes. Based on this change in the period of the small moon’s orbit around its central body, the authors calculate an instantaneous reduction in the component of Dimorphos’ orbital velocity along the trajectory of 2.70 ± 0.10 mm/s. “Such a change can only be explained by the production of matter ejected from the asteroid by the impact, which causes an additional impulse compared to that provided by the DART probe alone,” explains Patrick Michel, co-author of the three articles. Thus, the momentum transferred to the asteroid is that of the probe plus that taken up by the emitted ejected material. It is this component that allows us to estimate the efficiency of the deflection and that the authors are trying to determine. However, it depends on the mass of Dimorphos, which only another probe can measure (which will be one of the objectives of the ESA Hera mission). Considering a range of possible value of the mass, the authors estimate that DART’s momentum may have been multiplied by a factor of between 2.2 and 4.9. Assuming a mass of Dimorphos based on the estimated mass of Didymos, the multiplication factor would be in the order of 3.6. In any case, these values indicated that the momentum transferred to Dimorphos by the emission of material from the impact is much greater than that of DART alone and that the DART impact was very effective in deflecting the Dimorphos asteroid. “The ESA’s Hera mission, which will be launched in 2024 to reach Dimorphos at the end of 2026, will provide us with a precise quantification of this efficiency,” says Patrick Michel.
In a second paper, the authors reconstruct the impact event, including the timeline leading up to it, the location and nature of the DART impact site, and the size and shape of Dimorphos, which was revealed less than an hour before impact by images provided by the DRACO camera on board the probe. The shape of Dimorphos was completely unknown before these images were obtained, as the small body was too small to be directly observed by ground-based telescopes or the spacecraft months before impact. The intelligent navigation software called SmartNav began to detect Dimorphos just 73 minutes before impact and set its course for it 50 minutes before impact. From the start of autonomous navigation until impact, the spacecraft continuously transmitted images taken by the DRACO camera to the operations centre, sharing them live with the public worldwide. “This allowed us to offer the public the joy of discovering a new world in real time,” enthuses Patrick Michel. The final full image was obtained 1.818 seconds before impact with a resolution of 5.5 cm per pixel. The very last image was partially received 0.855 seconds before impact with a resolution of 2.6 cm per pixel.
The DRACO camera could only visualise one side of Dimorphos as it approached (see Fig. 1). The images obtained were used to build a three-dimensional shape model of the asteroid, despite the fact that only one side of the object was observed. This model reveals that Dimorphos is probably shaped like an oblate spheroid, like a smartie, with a diameter of about 151 metres. This shape is not the one expected on the basis of established binary asteroid formation models, nor is it usual in the asteroid population, which raises a large number of questions.
The images transmitted by DART also show that the surface of Dimorphos is very rich in geology, like the other small asteroids visited previously, in particular Bennu and Ryugu. It is filled with rocks of various morphologies (see Fig. 2), some rocks resting on other rocks, others being partially buried. They can be up to 6.5 metres in size. These features suggest an aggregate structure of the asteroid. “We will have to wait for the measurements of the asteroid’s internal structure that ESA’s Hera mission will perform for the first time when it visits the asteroid in 2027 to be sure,” stresses Patrick Michel, who continues, “this knowledge is crucial for correctly interpreting the result of the DART impact and in our understanding of the formation of binary asteroids. Moreover, the rocky nature of the impact site certainly has an influence on the formation of the impact crater, on the emission of material and on the momentum transferred by DART, making the interpretation of the impact and its numerical modelling complex, which will need data from ESA’s Hera mission, which will indicate the final state of Dimorphos, to be validated”.
Figure 2: image of the surface of Dimorphos, 2 seconds before impact at 12 kilometres. The width of the image is 31 metres. Credit: NASA/Johns Hopkins APL.
In the third paper, the authors describe and interpret observations made by the Hubble Space Telescope from 15 minutes after impact to 18.5 days after impact, with a spatial resolution of 2.1 kilometres per pixel. In the first 8 hours, the telescope observed the process once every 1.6 hours. These observations reveal a complex evolution of the ejected material. Images obtained 0.4 hours after impact show diffuse material ejected in several linear structures and clumps corresponding to material ejected at similar speed. After two hours, the diffuse dust cloud is almost completely dissipated and takes the shape of a cone that is wider than the cones produced by vertical impacts on granular media. The slower portion is dispersed in a persistent tail whose morphology is consistent with previously observed active asteroid tails thought to be produced by an impact. Moreover, a second tail appears between 5.7 and 8.8 days after impact (see Fig. 3), which is no longer detectable 18.5 days after impact. It originates from the double asteroid and points 4° north of the initial tail. Although several tails have also been detected for some active asteroids, the origin of this second tail is not well established, and several mechanisms could explain it. The Hubble images thus resemble comets, with their two characteristic tails produced for different reasons. “We have artificially produced a comet,” enthuses Patrick Michel. The evolution of the matter ejected by the DART impact thus provides a framework for understanding the fundamental mechanisms acting on small bodies disrupted by a natural impact, in addition to the information it provides for understanding the outcome of this first deflection test.
Figure 3: Image taken by the Hubble Space Telescope, 12 days after the impact (8 October 2022). Both tails are clearly visible. Credit: NASA/ESA/STScI/Hubble.
These articles therefore provide the first information on this first asteroid deflection test, thanks to the efforts made by the NASA DART mission team to learn as much as possible from the data collected. This information still contains many uncertainties and raises a number of questions that only ESA’s Hera mission will be able to answer when it visits Didymos in early 2027 after its launch in October 2024. Dart and Hera will thus provide the first fully documented deflection test, in the framework of an international cooperation called AIDA, allowing validation of impact modelling, extrapolation of this first test to other scenarios to protect against impact risk, and a new understanding of the geophysics of small bodies and double asteroids.
Note: Neither Dimorphos nor Didymos pose a risk to Earth either before or after the DART’s controlled impact with Dimorphos. The Johns Hopkins Applied Physics Lab (APL) built and operated the DART probe and is leading the DART mission for NASA’s Planetary Defense Coordination Office as a project of the agency’s Planetary Missions Program Office. LICIACube is a project of the Italian Space Agency, led by Argotec. This work has been financially supported by the European Commission H2020 programme (grant agreement n°870377, NEO-MAPP project), CNES and CNRS through the MITI interdisciplinary programmes through its exploratory research programme.
Julien Serrecourt
Contact:
Dr. Patrick Michel, e-mail: michelp@oca.eu.
Articles:
- Cheng, A.F. et al. 2023. Momentum Transfer from the DART Mission Kinetic Impact on Asteroid Dimorphos. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05811-4 (DOI: 10.1038/s41586-023-05811-4).
- Daly, T.R. et al. 2023. Successful Kinetic Impact into an Asteroid for Planetary Defense. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05810-5 (DOI: 10.1038/s41586-023-05810-5).
- Li, J.-Y. et al. Ejecta from the DART-produced active asteroid Dimorphos. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05878-z (DOI: 10.1038/s41586-023-05878-z).
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Résultats du premier test de déviation d’astéroïde par la sonde DART de la NASA
(in English above)
Les premiers résultats du premier test de déviation d’astéroïde par la mission DART de la NASA font l’objet d’une série de cinq articles publiés dans le journal Nature, dont trois auxquels a participé un chercheur du CNRS, de l’Observatoire de la Côte d’Azur, au Laboratoire Lagrange, à la fois Coordinateur de NEO-MAPP et Responsable scientifique de la mission spatiale Hera de l’ESA qui aura rendez-vous avec la cible de DART et documentera entièrement le résultat de l’impact de DART au début de 2027.
La mission DART (Double Asteroid Redirection Test) de la NASA a réalisé avec succès l’impact à haute vitesse d’une sonde artificielle sur l’astéroïde Dimorphos, le satellite de l’astéroïde binaire (65803) Didymos, à 23 h 14 UTC le 26 septembre 2022, dans le cadre du premier test de défense planétaire. Il s’agit d’un test grandeur nature, alors qu’aucun astéroïde connu identifié ne nous menace mais qu’on cherche à avoir les moyens de s’en protéger sur le long terme afin de ne pas être soumis à une improvisation aux conséquences potentiellement dramatiques.
Dans un premier article, les auteurs effectuent une estimation de la quantité de mouvement transférée par l’impact de la sonde à la petite lune Dimorphos de 151 mètres de diamètre. Celle-ci tournait initialement autour de son corps central, Didymos de 800 mètres de diamètre, en 12h55 minutes. Les observations depuis la Terre permirent de mesurer que l’impact produit une réduction de 33 minutes de cette période orbitale, la ramenant à 12h22 minutes. Sur la base de ce changement de la période de l’orbite de la petite lune autour de son corps central, les auteurs calculent une réduction instantanée de la composante de la vitesse orbitale de Dimorphos le long de la trajectoire de 2,70 ± 0,10 mm/s. « Un tel changement ne peut s’expliquer que par la production de matière éjectée de l’astéroïde par l’impact provoquant une impulsion supplémentaire par rapport à celle fournie par la sonde DART uniquement » explique Patrick Michel, co-auteur des trois articles. Ainsi, la quantité de mouvement transmise à l’astéroïde est celle de la sonde à laquelle s’ajoute celle prise par la matière ejectée émise. C’est cette composante qui nous permet d’estimer l’efficacité de la déviation et que les auteurs cherchent à déterminer. Or, elle dépend de la masse de Dimorphos, que seule une autre sonde peut mesurer (ce qui sera l’un des objectifs de la mission Hera de l’ESA). En faisant une hypothèse sur cette masse, les auteurs estiment que la quantité de mouvement de DART a pu être multipliée par un facteur se situant entre 2,2 et 4,9. En supposant une masse de Dimorphos basée sur celle estimée de Didymos, le facteur multiplicatif serait de l’ordre de 3,6. Ces valeurs indiquent en tout cas que la quantité de mouvement transférée à Dimorphos par l’émission de matière due à l’impact est nettement supérieure à celle de DART uniquement et que l’impact de DART a été très efficace pour dévier l’astéroïde Dimorphos. « La mission Hera de l’ESA, qui sera lancée en 2024 pour atteindre Dimorphos fin 2026, nous fournira une quantification précise de cette efficacité » rappelle Patrick Michel.
Dans un deuxième article, les auteurs reconstituent l’événement de l’impact, y compris la chronologie menant à celui-ci, l’emplacement et la nature du site d’impact de la DART, ainsi que la taille et la forme de Dimorphos qui s’est révélée moins d’une heure avant l’impact par les images fournies par la caméra DRACO à bord de la sonde. La forme de Dimorphos était totalement inconnue avant l’obtention de ces images, le petit corps étant trop petit pour être directement observé par les télescopes terrestres ou la sonde quelques mois avant l’impact. Le logiciel intelligent de navigation appelé SmartNav commença à détecter Dimorphos 73 minutes à peine avant l’impact et cala sa direction sur celui-ci 50 minutes avant l’impact. Du début de la navigation autonome jusqu’à l’impact, la sonde transmit au centre des opérations de façon continue les images prises par la caméra DRACO, en les partageant en direct avec le public du monde entier. « Ceci nous permit d’offrir au public le bonheur en temps réel de la découverte d’un nouveau monde » s’enthousiasme Patrick Michel. L’image complète finale fut obtenue 1,818 secondes avant l’impact avec une résolution de 5,5 cm par pixel. La toute dernière image fut reçue partiellement 0,855 seconde avant l’impact avec une résolution de 2,6 cm par pixel.
La caméra DRACO ne put visualiser qu’une face de Dimorphos tandis qu’elle s’en approchait (voir Fig. 1 ). Les images obtenues furent exploitées pour élaborer un modèle de forme à trois dimensions de l’astéroïde, en dépit du fait qu’une seule face de l’objet fut observée. Ce modèle révèle que Dimorphos a probablement une forme de sphéroïde oblate, comme un bonbon smartie’s, d’un diamètre de l’ordre de 151 mètres. Cette forme n’est pas celle attendue sur la base des modèles de formation d’astéroïdes binaires établis et n’est pas usuelle non plus dans la population des astéroïdes, ce qui soulève un grand nombre de questions.
Les images transmises par DART montrent aussi que la surface de Dimorphos présente une grande richesse géologique, comme les autres petits astéroïdes visités précédemment, en particulier les astéroïdes Bennu et Ryugu. Elle est remplie de rochers de morphologies variées (voir Fig. 2), certaines roches reposant sur d’autres roches, d’autres roches étant partiellement enfouies. Elles peuvent avoir des dimensions allant jusqu’à 6,5 mètres. Ces caractéristiques suggèrent une structure de l’astéroïde en agrégat. « Pour en être sûr, il faudra attendre les mesures de la structure interne de l’astéroïde que la mission Hera de l’ESA effectuera pour la première fois lorsqu’elle visitera l’astéroïde en 2027, » souligne Patrick Michel, qui poursuit « cette connaissance est cruciale pour interpréter de façon correcte le résultat de l’impact de DART et dans notre compréhension de la formation des astéroïdes binaires ». De plus, la nature rocheuse du site d’impact a certainement une influence sur la formation du cratère produit par l’impact, sur l’émission de matière et sur la quantité de mouvement transmise par DART, ce qui rend complexe l’interprétation de l’impact et sa modélisation numérique, qui auront besoin des données de la mission Hera de l’ESA, qui indiqueront dans quel état est finalement Dimorphos, pour être validées. »
Figure 2: Image de la surface de Dimorphos, 2 secondes avant l’impact à 12 kilomètres de distance. La largeur de l’image est de 31 mètres. Crédit : NASA/Johns Hopkins APL.
Dans le troisième article, les auteurs décrivent et interprètent les observations effectuées par le télescope spatial Hubble de 15 minutes après l’impact jusqu’à 18,5 jours après l’impact, avec une résolution spatiale de 2,1 kilomètres par pixel. Dans les 8 premières heures, le télescope observa le processus une fois toutes les 1,6 heures. Ces observations révèlent une évolution complexe de la matière éjectée. Les images obtenues 0,4 heures après l’impact montrent une matière diffuse éjectée selon plusieurs structures linéaires et des grumeaux correspondant à de la matière éjectée à vitesse similaire. Après deux heures, le nuage de poussière diffus est presqu’entièrement dissipé et prend la forme d’un cône qui est plus large que les cônes produits par des impacts verticaux sur des milieux granulaires. La portion la moins rapide est dispersée selon une queue persistante dont la morphologie est cohérente avec les queues d’astéroïdes caractérisés comme actifs observées précédemment et que l’on pensait produites par un impact. De plus, une deuxième queue apparaît entre 5,7 et 8,8 jours après l’impact (voir Fig. 3), qui n’est plus détectable 18,5 jours après l’impact. Elle provient bien de l’astéroïde double et pointe à 4° au nord de la queue initiale. Même si plusieurs queues ont aussi été détectées pour certains astéroïdes actifs, l’origine de cette deuxième queue n’est pas bien établie, et plusieurs mécanismes pourraient l’expliquer. Les images de Hubble ressemblent de ce fait à celle de comètes, avec leurs deux queues caractéristiques produites pour des raisons différentes. « On a artificiellement produit une comète » s’enthousiasme Patrick Michel. L’évolution de la matière éjectée par l’impact de DART fournit ainsi un cadre pour la compréhension des mécanismes fondamentaux agissant sur les petits corps perturbés par un impact naturel, en plus des informations qu’elles fournissent pour comprendre le résultat de ce premier test de déviation.
Figure 3 : Image prise par le télescope spatial Hubble, 12 jours après l’impact (le 8 Octobre 2022). Les deux queues sont bien visibles. Crédit : NASA/ESA/STScI/Hubble.
Ces articles fournissent donc les premières informations sur ce premier test de déviation d’astéroïde, grâce aux efforts effectués par l’équipe de la mission DART de la NASA pour tirer un maximum d’enseignement sur la base des données récoltées. Ces informations contiennent encore de nombreuses incertitudes et soulèvent un certain nombre de questions auxquelles seule la mission Hera de l’ESA pourra répondre en rendant visite à Didymos début 2027 après son lancement en Octobre 2024. Dart et Hera fourniront ainsi le premier test de déviation entièrement documenté, dans le cadre d’une coopération internationale appelée AIDA, permettant une validation des modélisations d’impact, l’extrapolation de ce premier test à d’autres scénarios pour se protéger du risque d’impact, et une nouvelle compréhension de la géophysique des petits corps et des astéroïdes doubles.
Note : ni Dimorphos ni Didymos ne représentent un risque pour la Terre, que ce soit avant ou après l’impact contrôlé de la sonde DART avec Dimorphos. Le Laboratoire Johns Hopkins Applied Physics Lab (APL) a construit et effectué les opérations de la sonde DART et dirige la mission DART pour le Bureau de Coordination de Défense Planétaire de la NASA en tant que projet du Bureau de Programme des Missions Planétaires de l’agence. LICIACube est un projet de l’Agence Spatiale Italienne, conduit par Argotec. Ces travaux ont bénéficié du soutien financier du programme H2020 de la Commission Européenne (accord de subvention n°870377, projet NEO-MAPP), du CNES et du CNRS à travers les programmes interdisciplinaires de la MITI à travers son programme de recherche exploratoire.
Julien SERRECOURT
Contact :
Dr. Patrick Michel, courriel : michelp@oca.eu.
Articles :
- Cheng, A.F. et al. 2023. Momentum Transfer from the DART Mission Kinetic Impact on Asteroid Dimorphos. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05811-4 (DOI: 10.1038/s41586-023-05811-4).
- Daly, T.R. et al. 2023. Successful Kinetic Impact into an Asteroid for Planetary Defense. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05810-5 (DOI: 10.1038/s41586-023-05810-5).
- Li, J.-Y. et al. Ejecta from the DART-produced active asteroid Dimorphos. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05878-z (DOI: 10.1038/s41586-023-05878-z).