Як вчені “дивляться” всередину астероїдів

Астероїди можуть становити загрозу для життя на Землі, але також є цінним джерелом ресурсів для видобутку палива або води у допомозі освоєнню глибокого космосу. Позбавлені геологічних та атмосферних процесів, ці космічні породи забезпечують можливість зазирнути в еволюцію Сонячної системи. Але щоб по-справжньому зрозуміти їх секрети, науковці повинні знати, що в них всередині.

Про це розповідає онлайн-журнал досліджень та інновацій ЄС “Horizon”.

Лише чотири космічні апарати коли-небудь приземлялися на астероїди — останній раз у жовтні 2020 року — але жоден не заглядав всередину них. Однак розуміння внутрішньої структури цих космічних порід є вирішальним для відповіді на ключові питання, наприклад, про походження нашої власної планети.

“Астероїди - це єдині об'єкти в нашій Сонячній системі, які більш-менш не змінилися з самого початку утворення Сонячної системи”, - каже д-р Фабіо Феррарі, який вивчає динаміку астероїдів у Бернському університеті, Швейцарія. “Якщо ми знаємо, що знаходиться всередині астероїдів, ми можемо багато чого зрозуміти про те, як формувалися планети, як утворювалося все, що ми маємо в нашій Сонячній системі, і  може еволюціонувати в майбутньому”.

Тоді ж більш практичними причинами для розуміння того, що знаходиться всередині астероїда, є, наприклад, видобуток матеріалів для полегшення дослідження людиною інших небесних тіл, але також захист від великих каменів, які збираються зіткнутися із Землею.

Прийдешня місія НАСА “Випробування перенаправлення подвійного астероїда” (DART), запуск якої очікується пізніше в цьому році, вріжеться в астероїд-супутник Діморфос, який має діаметр 160 метрів, у 2022 році з метою зміни його орбіти. Експеримент вперше продемонструє, чи зможуть люди відхилити потенційно небезпечний астероїд.

Але вчені мають лише приблизні уявлення про те, як Діморфос відреагує на удар, оскільки вони дуже мало знають як про цей астероїд-супутник, так і про його батьківський астероїд Дідімос.

Для кращого вирішення таких питань вчені досліджують, як дистанційно визначити, що знаходиться всередині астероїда, і розпізнати його тип.

Типи

Існує багато типів астероїдів. Деякі з них являють собою тверді кам’яні брили, міцні та рапаві, інші - це конгломерати гальки, валунів та піску, які є результатом багатьох орбітальних зіткнень, утримуваних разом лише силою тяжіння. Є також рідкісні металеві астероїди, важкі і щільні.

“Щоб відхилити більш щільні монолітні астероїди, вам знадобиться більший космічний апарат, вам доведеться подорожувати швидше”, - сказала д-р Ханна Сусорні, науковий співробітник з планетарних наук з Університету Брістоля, Великобританія. “Астероїди, які є просто мішками з матеріалом — ми їх називаємо купами щебеню — можуть, у іншому випадку, розлетітися на тисячі шматків. Ці шматки самі по собі можуть стати небезпечними”.

Доктор Сусорні досліджує, за якими поверхневими особливостями астероїда можна з’ясувати структуру його нутрощів в рамках проекту під назвою EROS.

Ця інформація могла б бути корисною для майбутніх космічних видобувних компаній, які хотіли б дізнатися якомога більше про перспективний астероїд перед тим, як інвестувати у дороговартісну пошукову місію, а також дізнатися більше про потенційні загрози.

“Існують тисячі навколоземних астероїдів — ті, чиї траєкторії одного дня можуть перетнутися із земними”, - сказала вона. “Ми відвідали лише декілька з них. Про переважну більшість ми майже нічого не знаємо”.

Під час четвертої посадки на астероїди, Бенну був картографований завдяки мозаїці зображень, зібраних космічним кораблем НАСА OSIRIS-REx. Наступний важливий крок - заглянути всередину астероїда. Зображення: NASA/Goddard/University of Arizona

Топографія

Доктор Сусорні намагається створити докладні топографічні моделі двох найбільш добре вивчених астероїдів — Ітокава (ціль японської місії Хаябуса-1 у 2005 р.) та Ерос (детально картографований космічним зондом NEAR Shoemaker наприкінці 1990-х).

“Топографія поверхні насправді може нам багато чого розповісти”, - сказала д-р Сусорні. “Якщо у вас є астероїд-купа щебеню, такий як Ітокава, який по суті є просто мішком пуху, ви не можете очікувати там дуже крутих схилів. Пісок не може утримуватися на нескінченному схилі, якщо він не підтримується. Суцільна скеля може. Скелясті монолітні астероїди, такі як Ерос, мають, як правило, набагато виразніші топографічні особливості, набагато глибші та крутіші кратери”.

Сусорні хоче взяти моделі високої роздільної здатності, отримані на основі даних з космічних апаратів, і знайти в них параметри, які потім можна було б використати в моделях форм астероїдів із значно меншою роздільною здатністю, створених на основі наземних радіолокаційних спостережень.

“Різниця в роздільній здатності досить значна”, - зізнається вона. “Десятки-сотні метрів у моделях від космічних апаратів високої роздільної здатності та кілометри від наземних радіолокаційних вимірювань. Але ми виявили, що, наприклад, розподіл схилів дає нам підказку. Скільки на астероїді плоского, а скільки крутого?”

На кольорових топографічних картах доктора Сузорні зображений Ерос (ліворуч), кам’янистий монолітний астероїд, який має крутіші кратери, ніж Ітокава (праворуч), астероїд з купи щебеню. Зображення: Hannah Susorney

Доктор Феррарі працює з командою, яка готує місію DART. В рамках проекту під назвою GRAINS він розробив інструмент, що дозволяє моделювати внутрішність Діморфоса, мішень для удару, а також інші астероїди-купи щебеню.

“Ми очікуємо, що Діморфос — це купа щебеню, тому що ми думаємо, що він утворився з речовини, викинутої головним астероїдом Дідімосом, коли він дуже швидко обертався”, - сказав д-р Феррарі. “Потім викинута речовина знову акреціювала й утворила супутник. Але у нас немає спостережень за його внутрішньою частиною.”

Аерокосмічний інженер за освітою, доктор Феррарі запозичив рішення проблеми астероїдів у інженерному світі, з дисципліни, що називається гранулярною динамікою.

“На Землі цю техніку можна використовувати для вивчення таких проблем, як згромадження піску або різні промислові процеси, що включають дрібні частинки”, - сказав д-р Феррарі. “Це числовий інструмент, який дозволяє моделювати взаємодію між різними частинками (компонентами) — у нашому випадку різними валунами та галькою всередині астероїда.”

Купа щебеню

Дослідники моделюють різні форми та розміри, різні склади валунів та гальки, гравітаційні взаємодії та тертя між ними. Вони можуть провести тисячі таких симуляцій, а потім порівняти їх з поверхневими даними про відомі астероїди, щоб зрозуміти поведінку та склад астероїдів-куп щебеню.

“Ми можемо подивитися на зовнішню форму, вивчити різні особливості поверхні і порівняти це з нашими симуляціями”, - сказав д-р Феррарі. “Наприклад, деякі астероїди мають помітну екваторіальну опуклість”, - говорить він, маючи на увазі потовщення навколо екватора, яке може з'явитися в результаті обертання астероїда.

У симуляціях ця опуклість може здаватися більш значимою для одних внутрішніх структур, ніж для інших.

Доктор Феррарі додав, що це вперше, коли інструмент може працювати з не сферичними елементами, що значно покращує точність.

“Сфери поводяться зовсім інакше, ніж кутоваті предмети”, - сказав він.

Модель припускає, що у випадку з Діморфосом удар DART створить кратер і викине багато матеріалу з поверхні астероїда. Але, як стверджує доктор Феррарі, є ще багато питань, зокрема щодо розміру кратера.

“Кратер може бути невеликим у десять метрів, але також шириною до ста метрів, займаючи половину розміру астероїда. Ми насправді не знаємо”, - сказав доктор Феррарі. “Купи щебеню складні. Оскільки вони настільки пухкі, вони можуть просто поглинути удар”.

Незалежно від того, що станеться на Діморфосі, експеримент надасть важливі дані для вдосконалення майбутніх симуляцій та моделей. Ми зможемо побачити, чи поводиться астероїд так, як ми очікували, і навчитися робити більш точні прогнози для майбутніх місій, від яких цілком може залежати життя на Землі.

Пояс астероїдів Сонячної системи містить астероїди С-типу, які, ймовірно, складаються з глинистих і силікатних порід; М-типу, які складаються в основному з металевого заліза, та S-типу, утворені з силікатних матеріалів та нікелю-заліза. Зображення: Horizon

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.