Đổi hướng tiểu hành tinh bằng va chạm: sứ mệnh DART và vật lý động lượng

Đổi hướng tiểu hành tinh bằng va chạm là dùng một tàu vũ trụ đâm thẳng vào tiểu hành tinh để truyền động lượng, làm thay đổi một chút vận tốc của nó. Ngày 26 tháng 9 năm 2022, tàu DART của NASA đâm vào Dimorphos, một tiểu hành tinh nhỏ quay quanh tiểu hành tinh Didymos, và rút ngắn chu kỳ quỹ đạo của nó khoảng 32–33 phút. Đây là lần đầu tiên con người thay đổi được chuyển động của một thiên thể. Kết quả còn tốt hơn dự kiến nhờ lượng đất đá văng ra khi va chạm, giống như lực giật lùi của tên lửa.

Vì sao cần nghĩ tới chuyện này

Trái Đất thường xuyên bị các vật thể nhỏ từ vũ trụ va vào. Phần lớn bốc cháy trong khí quyển thành sao băng. Thỉnh thoảng có vật lớn hơn:

Các chương trình quan sát bầu trời của nhiều quốc gia đã phát hiện phần lớn các tiểu hành tinh gần Trái Đất có đường kính trên 1 km, và không có cái nào được dự báo sẽ va vào Trái Đất trong ít nhất một thế kỷ tới. Nhưng với các vật thể nhỏ hơn, vài trăm mét, vẫn còn nhiều chưa được phát hiện. Vì vậy các cơ quan vũ trụ muốn thử nghiệm trước cách làm lệch hướng một tiểu hành tinh, phòng khi cần.

Ý tưởng: chỉ cần đẩy nhẹ, nhưng thật sớm

Không cần phá huỷ tiểu hành tinh. Chỉ cần thay đổi vận tốc của nó một chút, sớm nhiều năm trước khi nó tới gần Trái Đất. Theo quán tính, sự thay đổi nhỏ ấy tích luỹ dần thành một khoảng lệch lớn trên quỹ đạo.

Ví dụ ước lượng: nếu đổi vận tốc của một tiểu hành tinh chỉ 1 cm/s, sau 10 năm, vị trí của nó lệch khoảng 1 cm/s × 315 triệu giây ≈ 3.000 km. Thực tế cơ học quỹ đạo phức tạp hơn và sự lệch có thể còn được khuếch đại, nhưng ý chính là: phát hiện sớm thì chỉ cần cú đẩy rất nhẹ. Bán kính Trái Đất khoảng 6.400 km — vài nghìn kilômét lệch có thể đủ để tránh va chạm.

Sứ mệnh DART

DART (Double Asteroid Redirection Test — Thử nghiệm Đổi hướng Tiểu hành tinh đôi) là sứ mệnh của NASA, phóng tháng 11 năm 2021.

• Mục tiêu: hệ tiểu hành tinh đôi Didymos (đường kính khoảng 780 m) và vệ tinh nhỏ của nó, Dimorphos (khoảng 160 m), quay quanh Didymos mỗi khoảng 11 giờ 55 phút. Hệ này không đe doạ Trái Đất — được chọn chính vì an toàn.
• Vì sao chọn tiểu hành tinh đôi: thay đổi quỹ đạo quanh Mặt Trời của một tiểu hành tinh rất khó đo nhanh. Nhưng thay đổi chu kỳ Dimorphos quanh Didymos thì đo được từ Trái Đất bằng kính thiên văn, theo dõi độ sáng thay đổi khi hai thiên thể che nhau.
• Va chạm: ngày 26 tháng 9 năm 2022, tàu DART nặng khoảng 570 kg đâm vào Dimorphos với tốc độ khoảng 6,1 km/s. Camera trên tàu gửi về hình ảnh bề mặt Dimorphos tới giây cuối cùng. Một vệ tinh nhỏ của Ý tên LICIACube bay theo, chụp lại đám bụi đá văng ra.
• Kết quả: chu kỳ quỹ đạo của Dimorphos giảm từ khoảng 11 giờ 55 phút xuống khoảng 11 giờ 23 phút, tức rút ngắn khoảng 32–33 phút. Mục tiêu tối thiểu ban đầu chỉ là 73 giây.

Vật lý: động lượng và "hệ số khuếch đại"

Nếu chỉ tính động lượng của tàu DART truyền cho Dimorphos (giả sử tàu dính vào như một va chạm mềm hoàn toàn), độ thay đổi vận tốc của Dimorphos sẽ khá nhỏ. Thực tế, cú va làm văng ra một lượng lớn đất đá — các ước tính cho thấy hàng nghìn tấn. Đất đá văng ngược ra phía tàu đến, mang động lượng theo hướng ngược lại, đẩy Dimorphos thêm về phía trước — đúng nguyên lý lực giật lùi và tên lửa (bài về tên lửa và bảo toàn động lượng).

Các nhà khoa học gọi tỉ số giữa động lượng thực tế truyền cho tiểu hành tinh và động lượng của tàu là hệ số β. Với DART, các phân tích công bố năm 2023 ước tính β vào khoảng 3–4, tức lượng đất đá văng ra đã giúp nhân hiệu quả của cú va lên vài lần. Con số này phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc bề mặt: Dimorphos hoá ra là một "đống đá vụn" kết dính lỏng lẻo, dễ văng ra.

Sứ mệnh Hera: quay lại xem hiện trường

Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) phóng tàu Hera vào tháng 10 năm 2024, dự kiến tới hệ Didymos vào cuối năm 2026, để khảo sát chi tiết hố va chạm, đo khối lượng và cấu trúc bên trong của Dimorphos. Những số liệu này sẽ giúp tính chính xác hệ số β và hoàn thiện kỹ thuật đổi hướng bằng va chạm.

Các phương pháp khác đang được nghiên cứu

• Kéo bằng lực hấp dẫn (gravity tractor): cho một tàu vũ trụ bay song song cạnh tiểu hành tinh trong thời gian dài; lực hấp dẫn nhỏ giữa tàu và tiểu hành tinh dần kéo lệch quỹ đạo. Rất chậm nhưng chính xác.
• Đẩy bằng chùm ion: dùng luồng ion từ động cơ tàu bắn vào tiểu hành tinh.
• Làm thay đổi bề mặt: phủ sơn hoặc vật liệu để thay đổi cách tiểu hành tinh hấp thụ và phát xạ ánh sáng Mặt Trời, tạo lực đẩy cực nhỏ kéo dài (hiệu ứng Yarkovsky).

Apophis năm 2029: một vị khách được chờ đợi

Tiểu hành tinh Apophis (đường kính khoảng 340 m) sẽ bay sát Trái Đất vào ngày 13 tháng 4 năm 2029, ở khoảng cách khoảng 32.000 km — gần hơn các vệ tinh địa tĩnh. Các tính toán hiện nay đã loại trừ khả năng va chạm vào năm 2029 và trong ít nhất một thế kỷ sau. Lần bay sát này sẽ nhìn thấy được bằng mắt thường từ một số vùng trên Trái Đất, và là cơ hội hiếm để nghiên cứu một tiểu hành tinh cỡ này. Nhiều cơ quan vũ trụ đang chuẩn bị các sứ mệnh để quan sát nó.

Góc nhìn hôm nay: thí nghiệm va chạm bằng bóng bàn và quả bóng nước

1. Treo một quả bóng nhỏ đựng cát (tiểu hành tinh) bằng sợi chỉ dài như con lắc.
2. Ném một viên bi nhỏ vào nó, đo xem nó lệch bao xa.
3. Thay bằng một quả bóng phủ lớp bột mì dày bên ngoài, ném lại: bột văng ra ngược hướng ném, đẩy quả bóng lệch xa hơn — mô phỏng hệ số β lớn hơn 1.

Trang chính thức của NASA về DART và của ESA về Hera có nhiều hình ảnh, video về va chạm và các phân tích khoa học.