Необычная форма астероидов делает их отклонение сложной задачей

Фото из открытых источников

Если вы ищете единообразие в природе, вы не найдете его в поясе астероидов. Астероиды отличаются не только составом, поскольку происходят из разных родительских тел, но и формой. Они недостаточно массивны, чтобы иметь округлую форму, как планеты.

Это не просто очередной космический факт; форма астероидов имеет значение. Практически наверняка, если дать достаточно времени, опасный астероид направится прямо к столкновению с Землей, и это то, что ученые активно изучают. Они хотят разработать способы, позволяющие сбить астероид с курса, если это необходимо. Именно этому посвятили себя эксперимент НАСА по изменению траектории двойного астероида (DART) и последующая миссия ЕКА «Гера».

Существует несколько концепций изменения траектории опасного астероида. Одна из них — ядерное оружие. Не для уничтожения астероида, а для его бомбардировки радиацией путем взрыва ядерного оружия в непосредственной близости от него. Это называется сценарием дистанционного рентгеновского излучения. Импульс радиации изменит траекторию астероида, если это будет сделано достаточно быстро и правильно.

Но для того, чтобы импульс сработал, результат должен быть предсказуемым, и именно здесь вступает в игру различная форма астероидов.

«Эффективность отклонения околоземных объектов (ОЗО) с помощью импульсного излучения сложно количественно оценить, поскольку она критически зависит от топографии поверхности, которая часто неизвестна», — пишут авторы нового исследования в журнале Icarus. Исследование называется «Эффективный расчет выбросов пара над геометрией астероидов при отклонении импульсной энергией, а ведущим автором является физик Натан Мур из Национальных лабораторий Сандиа.

Для отклонения астероида, вероятно, предпочтительнее использовать простой кинетический ударный механизм. Именно это и сделала миссия DART, и, судя по всему, она оказалась успешной. Хотя скорость целевого астероида Диморфос изменилась лишь незначительно, это произошло достаточно быстро, чтобы за несколько лет существенно изменить его положение.

Однако более актуальный вопрос касается астероида или, возможно, кометы, движущейся по траектории столкновения с Землей, но не обнаруженной достаточно рано, чтобы ударный объект смог эффективно изменить ее траекторию.

«Хотя перехват околоземного объекта (ОЗ) или кометы на поздних стадиях развития рассматривается как крайняя мера, утверждается, что он может быть возможен только при более высокой концентрации энергии, обеспечиваемой детонацией импульсного энергетического устройства», — пишут авторы. «Импульсное энергетическое устройство» — это один из способов обозначения ядерного оружия. В космосе нет атмосферной ударной волны от ядерного взрыва, только излучение, которое высвобождается в виде мощного импульса.

«Энергетические всплески, возникающие на значительном расстоянии от поверхности, обладают потенциальным преимуществом по сравнению с наземными взрывами, поскольку они могут позволить отклониться от траектории с меньшим нарушением первоначальной структуры, что позволит более контролируемо управлять астероидом и его обломками», — пишут авторы. Нарушение первоначальной структуры может стать отличным сюжетом для боевика, но оно многократно увеличит опасность для Земли, создав рой обломков, часть которых может столкнуться с нашей планетой.

Исследователи имитировали использование ядерного оружия и его радиационных импульсов для отклонения астероидов, но их неправильная форма препятствовала этим экспериментам. Моделировать такие формы гораздо сложнее, поэтому большая часть исследований была сосредоточена на сферических астероидах. Мур и его коллеги разработали новый алгоритм для преодоления этих ограничений.

«Наш новый алгоритм работает более чем в 1600 раз быстрее, что имело решающее значение для этого прорыва», — сказал Мур. «С прежними моделями компьютеры просто не справлялись».

В данном исследовании авторы смоделировали известные астероиды с более неправильной формой, что является важным улучшением по сравнению с предыдущими работами.

«Предложенный подход превосходит более ранние методы, поскольку учитывает фактическую топографию астероида в трех измерениях без неприемлемого увеличения вычислительных затрат или снижения точности», — поясняют авторы. «В качестве демонстрации мы прогнозируем отклонение трех тел различной формы — астероида (101955) Бенну, астероида (25143) Итокава и астероида (6489) Голевка — как при ближнем, так и при дальнем облучении».

После взрыва ядерного устройства вблизи астероида разворачивается последовательность событий. Сначала интенсивный рентгеновский импульс направляется на одну сторону астероида. Затем происходит быстрое испарение поверхности, которое создает большую часть отклоняющей тяги. Далее следует внутренняя ударная волна, мощный удар, распространяющийся по телу астероида. Наконец, внутренняя структура астероида разрушается, что может отбросить куски астероида от поверхности, противоположной эпицентру взрыва, а также от его боковых сторон.

Таким образом, несмотря на отсутствие атмосферной ударной волны, астероид всё равно разрушается.

Результаты показали, насколько важна форма астероида. В зависимости от того, какая сторона астероида была обращена к радиационному потоку, скорость отклонения может быть в пять раз больше. «Мы обнаружили, что ориентация тела в момент перехвата может увеличить скорость отклонения почти в 2 раза для Бенну, в 4 раза для Итокавы и в 5 раз для Голевки по сравнению с минимальным откликом для каждого из этих тел», — пишут авторы.

«Мы ожидали, что точность стрельбы будет иметь значение», — объясняет Мур. «Но нас удивило, насколько сильное это значение мы испытали».

Представленная в данной работе модель может быть использована для любого астероида, картированного космическим аппаратом во время пролета. Размер взрыва, расстояние и площадь поверхности, подверженной его воздействию, могут быть рассчитаны заранее. Путем расчета испарения поверхности, основного фактора отклонения, модель определяет, насколько сильно будет отталкиваться астероид, с какой скоростью он будет вращаться и какая часть его поверхности может быть разрушена.

Внутреннее строение астероидов может быть совершенно разным, и это выходит за рамки возможностей данной модели. «В настоящее время наша компьютерная модель учитывает только распад горных пород на поверхности. Мы пока не можем точно предсказать распад всего тела астероида», — сказал Мур.

Реальная жизнь всегда отличается от моделирования, а это значит, что эти результаты не могут с абсолютной уверенностью сказать, что произойдет. Но это шаг вперед, который наглядно демонстрирует, насколько важна точность прицеливания для успешного отклонения астероида, если это потребуется в будущем.

«Высокая чувствительность отклонения и разрушения к топографии астероида особенно важна, учитывая, что форма приближающегося околоземного объекта может быть неизвестна, а его ориентация в момент перехвата может быть неконтролируемой», — пишут авторы. Их работа на данный момент, по крайней мере, может быть использована для составления оценок, что лучше, гораздо лучше, чем ничего.

«В качестве альтернативы можно предпринять усилия для получения высокоточных топографических характеристик приближающегося околоземного объекта, чтобы повысить точность модели отклонения, например, используя изображения, полученные с помощью космических аппаратов, или данные альтиметрии, собранные до детонации», — поясняют авторы.

Вполне возможно, что космические аппараты для картирования астероидов могут находиться в космосе в режиме готовности, ожидая развертывания. Их даже можно было бы объединить с космическими аппаратами, способными разрушать астероиды и нести ядерное оружие. Или же эти две возможности можно было бы объединить в одном космическом аппарате. Размещение атомного оружия в космосе было бы чрезвычайно сложной задачей в нашем раздробленном геополитическом мире, но это все же возможно, возможно, единственно возможно.

Но как бы мы ни готовились к приближению астероида, эта работа подчеркивает, насколько важно точно нацелиться на цель.

«Наше исследование показывает, насколько важно тщательно прицеливаться», — сказал Мур. «Выберите правильную сторону, и вы выиграете. Неправильный выбор может привести к неудаче».