Размер и угловатость частиц может предсказать поведение астероида при ударе

Астрономы под руководством Пола Санчеса из Университета Колорадо в Боулдере выяснили, что прочность рыхлых астероидов зависит не только от силы гравитации, но и от формы и размера крошечных частиц, из которых они сложены. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предлагает первую универсальную формулу для оценки того, насколько легко такой астероид может разрушиться при столкновении или быстром вращении. Вместо сложных расчетов всего небесного тела авторы смоделировали небольшой «мостик» между двумя валунами и измерили, какая нагрузка нужна, чтобы он развалился – и оказалось, что угловатые зерна держатся вместе крепче, чем круглые, а мелкая пыль работает как цемент.

Многие астероиды, которые мы знаем по космическим миссиям – например, Бенну или Рюгу (на фото), на самом деле представляют собой огромные кучи обломков, где камни и пыль удерживаются вместе очень слабыми силами. Раньше компьютерные модели упрощали эту картину, считая все частицы идеальными шариками. Но в реальности они имеют рваные, неправильные очертания, и это сильно влияет на сцепление.

Авторы новой работы впервые смогли учесть такую неправильность, заменив шарики на многогранники разной вытянутости, от почти круглых до сильно сплюснутых. Для этого они вдохновились тем, как вода создает крошечные «мостики» между песчинками на пляже, и перенесли этот принцип на мир астероидов.

Главная трудность была в том, что невозможно смоделировать каждую песчинку внутри целого астероида – их многие миллиарды. Поэтому ученые поступили как строители: они взяли образец материала, связующей массы из мелких зерен, и поместили ее между двух метровых валунов. Затем они медленно раздвигали эти валуны, пока мостик не лопался, и записывали пиковое усилие, это и есть предел прочности на разрыв.

Всего провели 78 таких виртуальных опытов, меняя размер зерен (от 2 до 5 см), их форму и смешивая разные фракции. При этом учитывали две реальные силы: слабое притяжение Ван-дер-Ваальса между частицами и их взаимное гравитационное притяжение, пусть и крошечное.

Оказалось, что прочность растет, когда зерна мельче, в небольшой объем помещается больше частиц, а значит, больше точек соприкосновения, которые держат конструкцию. Но не менее важна форма: две сферы касаются только в одной точке, а угловатые обломки могут соприкасаться ребрами или плоскостями, создавая более плотную упаковку. Интересно, что эти два эффекта могут взаимно компенсироваться: например, мост из крупных, зато сильно угловатых зерен может быть таким же крепким, как мост из мелких округлых песчинок. Именно поэтому модель назвали универсальной, она позволяет предсказать прочность, зная либо размер частиц, либо их степень округлости, что удобно для астероидов, где мы не можем измерить все сразу.

Самый яркий практический вывод получился применительно к астероиду Бенну. Недавно миссия OSIRIS-REx доставила с него реальные образцы, и ученые впервые смогли измерить реальную силу сцепления частиц. Подставив эти данные в новую модель, они получили, что поверхностный слой Бенну имеет прочность менее 1 паскаля. Для сравнения: свежемолотый кофе, спрессованный в цилиндр, держит около 50 паскалей, то есть поверхность астероида в 50 раз слабее, чем кофейная гуща. Такую слабость объясняют тем, что на Бенну слишком мало мелкой пыли: крупные камни лежат в пустотах, и мелким зернам нечем заполнить промежутки, чтобы скрепить всю кладку.

Полученная теория важна не только для академического интереса. От прочности астероида зависит, как он поведет себя при столкновении – например, когда в 2022 году зонд DART намеренно врезался в астероид Диморфос, чтобы проверить способ отклонения опасных объектов. Чтобы рассчитать траекторию после удара, нужно знать, насколько тело рыхлое и легко ли оно разрушается. Новая модель дает первую грубую оценку таких свойств по доступным данным: размеру частиц, их разнообразию и пористости. Это позволяет инженерам лучше планировать защитные миссии, не дожидаясь прямых измерений на каждом астероиде.

«Если сформировать небольшой цилиндр из свежемолотого кофе, его прочность составит около 50 Па, и при этом в нем можно проткнуть отверстие одним пальцем. Поверхность Бенну в 50 раз слабее», — Пол Санчес.

В ближайших планах исследователей расширить модель на более широкий диапазон размеров зерен и заглянуть внутрь астероида, туда, где еще не бывал ни один аппарат. Ведь сейчас мы видим только верхний слой, а внутреннее строение может оказаться совсем иным. Но уже сегодня ясно одно: форма и размер пылинок на астероиде не случайность, а ключ к его прочности, и новая формула позволяет заглянуть в саму природу этих космических объектов, которые держатся буквально на честном слове и слабом притяжении своих крошечных кирпичиков.

Главный итог работы в том, что создана простая и универсальная расчетная модель, которая по размеру и угловатости частиц предсказывает, выдержит ли астероид удар или быстрое вращение. Проверка на образцах с Бенну показала, что его поверхность невероятно слаба, в десятки раз рыхлее, чем спрессованный кофе. Открытие дает практический инструмент для защиты Земли: теперь при моделировании столкновений с опасными астероидами не придется гадать, а можно опираться на реальные свойства материала, которые можно оценить по фотографиям и данным дистанционного зондирования.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях