Analisi dei NEA – Parte I

By articolidiastronomia on 20/01/2024 • ( 1 commento )

I Near Earth Object (Near Earth Object) sono corpi rocciosi (asteroidi e comete) costituiti dai detriti rimasti dalla formazione del Sistema Solare che orbitano intorno al Sole: il loro principale interesse scientifico riguarda la composizione in quanto ci rivelano la chimica di 4,6 miliardi di anni fa. Essendo le loro orbite molto caotiche, anche una piccola perturbazione gravitazionale come un passaggio ravvicinato con un altro oggetto celeste è in grado, sul lungo periodo, di cambiare la loro traiettoria fino ad intersecare l’orbita terrestre.

Dal punto di vista della meccanica celeste il CNEOS (Centre for Orbital Study) definisce NEO asteroidi e comete con q < 1.3 AU

I NEA (Near Earth Asteroid), oggetto del presente articolo, sono una particolare sottoclasse dei NEO a cui appartengono solo asteroidi. La pericolosità dei NEA inoltre è motivo di interesse non trascurabile anche se asteroidi con diametri piccoli hanno una grossa probabilità di bruciare durante l’ingresso in atmosfera terrestre: un eventuale collisione con un oggetto di 1 Km di diametro, per esempio, può provocare danni ingenti ad un’intera area metropolitana. Per prevenire situazioni del genere ci sono programmi ESA e NASA che osservano il cielo alla scoperta di nuovi oggetti (si pensa che ce ne siano ancora migliaia da scoprire) per migliorare le conoscenze sulle loro orbite e individuarne la pericolosità.

Il CNEOS classifica i NEA nelle seguenti quattro classi:

Amor: questi asteroidi hanno un’orbita completamente esterna a quella terrestre ma un perielio inferiore a 1.3 AU. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare, ovvero 1221 Amor, scoperto da Eugene Delporte in 1932.

Apollo: questi asteroidi hanno un semiasse maggiore più grande di quello terrestre. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare, ovvero 1862 Apollo. L’oggetto più grande è 1866 Sisyphus con un diametro di 848 km. Il meteorite che si disintegrò sopra i cieli di Chelyabinsk apparteneva a questa famiglia. Alcuni di questi oggetti sono classificati come pericolosi.

Aten: questi asteroidi hanno un semiasse maggiore più piccolo di quello terrestre. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare 2062 Aten, un oggetto con un diametro di 1,1 Km scoperto nel 1976. Alcuni di questi oggetti sono classificati come pericolosi: il più grande ad oggi è 3554 Amun con un diametro di 3,3 Km.

Atira: questi asteroidi hanno un’orbita interamente contenuta entro l’orbita terrestre. È il gruppo meno numeroso con apena 32 oggetti. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare 163693 Atira scoperto nel 2003.

I NEA che posso portare un potenziale impatto con il nostro pianeta sono classificati come pericolosi (Potentially Hazardous Asteroids – PHA). Tecnicamente vengono definiti pericolosi i NEA con:

distanza minima di intersezione orbitale è inferiore a 0.05 UA (moid < 0.05)
magnitudine assoluta inferiore a 22 (H < 22)

Ci sono circa 2000 oggetti in questo gruppo, la maggior parte appartengono alla classe Apollo.

L’uso di modelli di Machine Learning si rivela molto utile per aiutare il lavoro degli astronomi nella classificazione di questi oggetti celesti sia in base alla pericolosità che alla classe di appartenenza.

Si tratta di un esempio di algoritmi per la classificazione con etichette applicato al campo dell’astronomia.

Per quanto riguarda la seguente l’analisi verranno utilizzati tre distinti algoritmi per l’analisi PHA:

K-Neighbors
Decision Tree
Random Forest

Per la classificazione del gruppo di appartenenza (Aten, Apollo, Aten ed Atira) verranno utilizzati i seguenti due algoritmi:

K-Neighbors
Decision Tree

Il Machine Learning, un campo dell’Intelligenza Artificiale, sostiene il lavoro dell’essere umano, soprattutto nei casi di compiti ripetitivi che possono essere automatizzati ma non lo solleva dal controllo dei risultati forniti dagli algoritmi e dalla validità e consistenza dei dati di ingresso (bias, numerosità, rappresentatività del campione, …)

Il dataset di input è liberamente scaricabile dal sito del CNEOS. Tramite un’interfaccia web è possible selezionare la lista le caratteristiche degli oggetti interessati all’analisi: nel nostro caso le quattro classi di oggetti NEA (esclusi oggetti cometari) con i principali attributi (caratteristiche e parametri orbitali).

Si inizia con un’esplorazione generica dei dati per:

eliminare dal dataset i valori incompleti
rimuovere le colonne inutili all’analisi (esempio gli indici BV, UB)
rimuovere le colonne con valori nulli (H, diametro, classe)
rinominare le classi orbitali (0,1,2,3 al posto di AMO, ATE, APO ed IEO)
rinominare il tipo di NEA (PHA, non PHA) con una codifica binaria

Si ottiene quindi un’idea generale del dataset. Si procede quindi alla partizione dell’insieme per classe e tipo e si visualizzano graficamente le caratteristiche comuni (numerosità complessiva e per tipo, percentuale di PHA, …) come riportato nei grafici seguenti.

Grafico cumulativo del numero di NEA osservati dal 1970 ad oggi
Numero di NEA scoperti per anno a partire dal 1990 suddiviso per classe
Istogramma della numerosita’ dei NEA suddiviso per classe e per pericolosita’
Percentuale dei NEA pericolosi sul totale presente nel database del CNEOS
Distribuzione statistica del diametro equivalente dei NEA per i record del database per i quali e’ questo campo e’ valorizzato
Grafico della distribuzione del diametro dei NEA diviso per classe
Grafico della distribuzione dei principali parametri orbitali dei NEA diviso per classe

Ci sono 33736 oggetti NEA, circa il 7% dei quali è classificato PHA: i NEA hanno un diametro medio di 1,3 Km (esclusi quelli per i quali questo campo non è valorizzato). Gli asteroidi PHA hanno un mediamente un diametro un poco più piccolo. Dato che gli asteroidi non hanno una forma sferica ma sono generalmente irregolari, il valore del diametro riportato nel dataset si intende un diametro equivalente che, eventualmente può anche essere stimato dalla magnitudine assoluta H ed albedo, oppure da alcune tabelle di confronto del CNEOS. Ovviamente se manca anche solo di uno dei due fattori la stima è impossibile.
La classe Apollo è la più numerosa, seguita dagli Amor, inoltre il numero di NEA scoperti è costantemente cresciuto negli ultimi anni, ma molti di essi (si stima migliaia) sono ancora in attesa di essere scoperti. Il gruppo più piccolo e più giovane (Atira) contiene solamente 32 elementi.
La classe Apollo contiene il maggior numero di oggetti pericolosi (piu di 2000) seguita in percentuale dagli Amor.
Dalla distribuzione delle dimensioni, più grande è l’oggetto, minore è la sua numerosità e quindi anche la probabilità che possa eventualmente causare un impatto sul nostro pianeta. Si stima che un oggetto dal diametro maggiore di 10 Km ha una frequenza di impatto di un singolo evento ogni 50 milioni di anni, mentre un oggetto dal diametro compreso fra 30 metri e 100 metri ha una frequenza di impatto di un evento ogni 500 anni.

L’analisi dei dati prosegue con il disegno dei diagrammi di dispersione dei principali parametri orbitali: si tratta di grafici in cui i valori di due variabili sono riportati su due assi cartesiani e l’aggregazione dei punti risultanti indica il livello di correlazione o meno tra tali variabili. Ecco i diagrammi che riportano:

• eccentricità vs diametro
• semiasse maggiore vs diametro
• perielio vs moid
• semiasse maggiore vs eccentricità

Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali q/moid dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali q/H dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali e/d dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali a/e dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali a/d dei NEA suddiviso per classe e pericolosità

ed i diagrammi di distibuzione della densità dei parametri orbitali dei NEA per tipo di oggetto e pericolosità. Segue il tracciamento delle orbite di un sottoinsieme di NEA, in particolare sono selezionate le orbite di 50 asteroidi per ogni classe, ovvero 50 * 4 = 200 asteroidi in totale. Le orbite sono state tracciate per integrazione della soluzione a partire dai parametri orbitali e propagando l’orbita per un periodo di un anno.

Orbite di un sottoinsieme di NEA suddivisi per classe (circa 200 oggetti) visto dall’alto rispetto al piano orbitale terrestre.
Orbite di un sottoinsieme di NEA suddivisi per classe (circa 200 oggetti) visto in proiezione rispetto al piano orbitale terrestre.

Per confronto sono riportate anche le orbite della Terra e la posizione del Sole. Un numero maggiore di orbite avrebbe comportato calcoli più lunghi e pesanti, pertanto si è scelto un compromesso: si nota che la distribuzione degli Atira (arancione) è contenuta completamente in quella terrestre mentre gli Amor (viola) completamente esterna (coerente alla definizione).

(continua)

Nota: tutti i diagrammi ed i grafici sono stati realizzati dall’autore con Python ed il framework Jupyter

Bibliografia

OpenSpace Datasets for Asteroids and Comets
Hazardous Asteroid Classification with Machine Learning using Physical and Orbital, Arjun Ramakrishnan
BBC Scienze – Dicembre 2023, Gennaio 2024