Как ученые "смотрят" внутрь астероидов

Астероиды могут представлять угрозу для жизни на Земле, но также является ценным источником ресурсов для добычи топлива или воды в помощи освоению глубокого космоса. Лишенные геологических и атмосферных процессов, эти космические породы обеспечивают возможность заглянуть в эволюцию Солнечной системы. Но чтобы по-настоящему понять их секреты, ученые должны знать, что у них внутри.

Об этом рассказывает онлайн-журнал исследований и инноваций ЕС "Horizon".

Лишь четыре космические аппараты когда-нибудь приземлялись на астероиды — последний раз в октябре 2020 — но никто не заглядывал внутрь них. Однако понимание внутренней структуры этих космических пород является решающим для ответа на ключевые вопросы, например, о происхождении нашей собственной планеты.

"Астероиды - это единственные объекты в нашей Солнечной системе, которые более или менее не изменились с самого начала образования Солнечной системы", - говорит д-р Фабио Феррари, изучающий динамику астероидов в Бернском университете, Швейцария. "Если мы знаем, что находится внутри астероидов, мы можем многое понять о том, как формировались планеты, как образовывалось все, что мы имеем в нашей Солнечной системе, и может эволюционировать в будущем".

Тогда же более практичными причинами для понимания того, что находится внутри астероида, является, например, добыча материалов для облегчения исследования человеком других небесных тел, но также защита от больших камней, которые собираются столкнуться с Землей.

Грядущая миссия НАСА "Испытание перенаправления двойного астероида" (DART), запуск которой ожидается позже в этом году, врежется в астероид-спутник Диморфос, который имеет диаметр 160 метров, в 2022 году с целью изменения его орбиты. Эксперимент впервые продемонстрирует, смогут ли люди отклонить потенциально опасный астероид.

Но ученые имеют только приблизительные представления о том, как Диморфос отреагирует на удар, поскольку они очень мало знают как об этом астероиде-спутнике, так и о его родительском астероиде Дидимосе.

Для лучшего решения таких вопросов ученые исследуют, как дистанционно определить, что находится внутри астероида, и распознать его тип.

Типы

Существует много типов астероидов. Некоторые из них представляют собой твердые каменные глыбы, крепкие и шероховатые, остальные — это конгломераты гальки, валунов и песка, которые являются результатом многих орбитальных столкновений, удерживаемых вместе только силой тяжести. Есть также редкие металлические астероиды, тяжелые и плотные.

"Чтобы отклонить более плотные монолитные астероиды, вам понадобится космический аппарат побольше, вам придется путешествовать быстрее", - сказала д-р Ханна Сусорни, научный сотрудник по планетарным наукам из Университета Бристоля, Великобритания. "Астероиды, которые являются просто мешками с материалом — мы их называем кучами щебня — могут, в противном случае, разлететься на тысячи кусков. Эти куски сами по себе могут стать опасными".

Доктор Сусорни исследует, по каким поверхностными особенностями астероида можно выяснить структуру его внутренностей в рамках проекта под названием EROS.

Эта информация могла бы быть полезной для будущих космических добывающих компаний, которые хотели бы узнать как можно больше о перспективном астероиде перед тем, как инвестировать в дорогостоящую поисковую миссию, а также узнать больше о потенциальных угрозах.

"Существуют тысячи околоземных астероидов — те, чьи траектории однажды могут пересечься с земными", - сказала она. "Мы посетили только несколько из них. О подавляющем большинстве мы почти ничего не знаем".

Во время четвертой посадки на астероиды, Бенну был картографирован благодаря мозаике изображений, собранных космическим кораблем НАСА OSIRIS-REx. Следующий важный шаг - заглянуть внутрь астероида. Изображение: NASA/Goddard/University of Arizona

Топография

Доктор Сусорни пытается создать подробные топографические модели двух наиболее хорошо изученных астероидов - Итокава (цель японской миссии Хаябуса-1 в 2005 году.) И Эрос (подробно картографирован космическим зондом NEAR Shoemaker в конце 1990-х).

"Топография поверхности на самом деле может нам многое рассказать", - сказала д-р Сусорни. "Если у вас есть астероид-куча щебня, такой как Итокава, который по сути является просто мешком пуха, вы не можете ожидать там очень крутых склонов. Песок не может удерживаться на бесконечном склоне, если он не поддерживается. Сплошная скала может. Скалистые монолитные астероиды, такие как Эрос, имеют, как правило, гораздо более выразительные топографические особенности, гораздо более глубокие и крутые кратеры".

Сусорни хочет взять модели высокого разрешения, полученные на основе данных из космических аппаратов, и найти в них параметры, которые затем можно было бы использовать в моделях форм астероидов со значительно меньшим разрешением, созданных на основе наземных радиолокационных наблюдений.

"Разница в разрешении довольно значительная", - признается она. "Десятки-сотни метров в моделях от космических аппаратов высокого разрешения и километры от наземных радиолокационных измерений. Но мы обнаружили, что, например, распределение склонов дает нам подсказку. Сколько на астероиде плоского, а сколько крутого?"

На цветных топографических картах доктора Сузорни изображен Эрос (слева), каменистый монолитный астероид, имеющий более крутые кратеры, чем Итокава (справа), астероид из кучи щебня. Изображение: Hannah Susorney

Доктор Феррари работает с командой, которая готовит миссию DART. В рамках проекта под названием GRAINS он разработал инструмент, позволяющий моделировать внутренность Диморфоса, мишень для удара, а также другие астероиды-груды щебня.

"Мы ожидаем, что Диморфос — это куча щебня, потому что мы думаем, что он образовался из вещества, выброшенного главным астероидом Дидимосом, когда он очень быстро вращался", - сказал д-р Феррари. "Потом выброшенное вещество снова аккрецировало и образовало спутник. Но у нас нет наблюдений за его внутренней частью."

Аэрокосмический инженер по образованию, доктор Феррари позаимствовал решение проблемы астероидов в инженерном мире, из дисциплины, которая называется гранулярной динамикой.

"На Земле эту технику можно использовать для изучения таких проблем, как конгрегация песка или различные промышленные процессы, включающие мелкие частицы", - сказал д-р Феррари. "Это числовой инструмент, который позволяет моделировать взаимодействие между различными частицами (компонентами) — в нашем случае различными камнями и галькой внутри астероида."

Груда щебня

Исследователи моделируют различные формы и размеры, разные состаавы валунов и гальки, гравитационные взаимодействия и трения между ними. Они могут провести тысячи таких симуляций, а затем сравнить их с поверхностными данными об известных астероидах, чтобы понять поведение и состав астероидов-куп щебня.

"Мы можем посмотреть на внешнюю форму, изучить различные особенности поверхности и сравнить это с нашими симуляция", - сказал д-р Феррари. "Например, некоторые астероиды имеют заметную экваториальную выпуклость", - говорит он, имея в виду утолщение вокруг экватора, которое может появиться в результате вращения астероида.

В симуляциях эта выпуклость может показаться более значимой для одних внутренних структур, чем для других.

Доктор Феррари добавил, что это первый раз, когда инструмент может работать с не сферическими элементами, что значительно улучшает точность.

"Сферы ведут себя совсем иначе, чем угловатые предметы", - сказал он.

Модель предполагает, что в случае с Диморфосом удар DART создаст кратер и выбросит много материала с поверхности астероида. Но, как утверждает доктор Феррари, есть еще много вопросов, в частности размера кратера.

"Кратер может быть небольшим в десять метров, но также шириной до ста метров, занимая половину размера астероида. Мы на самом деле не знаем", - сказал доктор Феррари. "Груды щебня сложны. Поскольку они настолько пухлые, они могут просто поглотить удар".

Независимо от того, что произойдет на Диморфосе, эксперимент даст важные данные для совершенствования будущих симуляций и моделей. Мы сможем увидеть, ведет ли себя астероид так, как мы ожидали, и научиться делать более точные прогнозы для будущих миссий, от которых вполне может зависеть жизнь на Земле.

Пояс астероидов Солнечной системы содержит астероиды С-типа, которые, вероятно, состоят из глинистых и силикатных пород; М-типа, которые состоят в основном из металлического железа, и S-типа, образованные из силикатных материалов и никеля-железа. Изображение: Horizon

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.