Поверхня астероїда Бенну в 50 разів слабкіша за мелену каву

Науковці визначили, яку міцність повинна мати поверхня астероїда. Виявилося, що чимало з них насправді вкриті товстим шаром ледве з’єднаного матеріалу. Зокрема, саме такими є Бенну, Рюгу та Ітокава, які вже досліджували космічні апарати.

Дрібні частинки зчіплюються разом

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications, науковці розробили універсальну модель для оцінки міцності гранулярних астероїдів. Вона показала, що міцність таких тіл на розтяг можна передбачити за розміром і формою частинок, з яких вони складаються. Про це повідомляє сайт phys.org.

Космічні місії показали, що багато дрібних астероїдів, таких як Бенну, Рюгу та Ітокава, є не суцільними скелями, а зернистими астероїдами — слабко зв’язаними скупченнями пилу, гірських порід та валунів, що утримуються разом завдяки власній гравітації та слабким когезійним силам.

Науковці вже понад десятиліття вивчають, як ці тіла утримуються разом. Однак у попередніх моделюваннях дрібні зерна розглядалися лише як ідеальні сфери, тоді як насправді вони мають кутасті та нерегулярні форми. У цьому дослідженні вдалося знайти спосіб врахувати реалістичні форми частинок у моделюваннях.

Пол Санчес, старший науковий співробітник Університету Колорадо в Боулдері, зазначає: «Нам потрібно було з’ясувати, який вплив можуть мати дрібні зчеплені частинки в астероїді, але моделювати всі необхідні частинки було (і досі є) неможливо. Тому ми взяли за основу рідкі містки, які вода на Землі утворює між крихітними піщинками».

Бар’єр обертання «купи уламків»

«Було встановлено, що невеликі астероїди (діаметром менш ніж 150 м) можуть обертатися з періодом менш ніж 2,4 години, тоді як для більших астероїдів існує певний бар’єр («бар’єр обертання купи уламків»), який є основним наслідком власної гравітації астероїдів», — зазначив Санчес.

Купа уламків, що обертається достатньо швидко, зрештою розлетиться на частини. Для тіла, яке утримується разом лише силою гравітації, межа такої швидкості не залежить від його розміру. Більші астероїди не перевищують цієї межі, що саме по собі свідчить: вони є купами уламків, а не суцільними породними тілами.

Менші астероїди — ні. Власна гравітація швидко слабшає у міру зменшення розмірів тіла, тоді як сили зчеплення між зернами залишаються незмінними. Нижче цього розміру зчеплення може стати домінуючою силою, що утримує астероїд у цілісності. Однак зчеплення не замінює гравітацію — воно доповнює її.

У 2010 році Санчес та його колеги висунули гіпотезу, що сили ван дер Ваальса між дрібними зернами можуть забезпечувати цю міцність. Ці зерна утворюють реголіт астероїда — пухкий пил і гірські породи, що вкривають його поверхню.

У 2014 році команда перевірила цю гіпотезу на сферичних частинках, і результати показали, що дрібні зерна можуть виступати в ролі слабкого цементу між більшими валунами. Однак ще бракувало двох речей: по-перше, моделювання ще не могло враховувати реалістичні форми зерен. По-друге, властивості матеріалу, від яких залежать ці розрахунки, такі як сила зчеплення між частинками, також доводилося припускати, а не вимірювати.

Ситуація змінилася, коли 2023 року місія NASA OSIRIS-REx доправила зразки з Бенну, що дозволило вперше виміряти ці властивості.

Сили, що утримують частинки вкупі

Замість того щоб моделювати астероїд у цілому, дослідники змоделювали його невелику частину. Вони розмістили матрицю з когезивних зерен — дрібного матеріалу, що зв’язує більші уламки між собою, як цемент у бетоні, — між двома валунами, кожен з яких мав метр (3,3 фута) у діаметрі, утворивши міст. Розсунення валунів до моменту руйнування мосту дозволяє визначити величину міцності на розтяг.

Команда провела 78 таких моделювань, використовуючи метод динаміки контакту, реалізований у програмному коді з відкритим кодом LMGC90.

У деяких зразках зерна мали вигляд ідеальних сфер. В інших — це були багатогранники, витягнуті або сплющені у 10 різних форм: від майже круглих до сильно видовжених. Розмір зерен коливався від 2 до 5 см (від 0,8 до 2 дюймів) як в однорідних, так і в змішаних партіях. Їхню форму вимірювали за допомогою показника сферичності.

У модель вбудували обидві сили, що утримують справжній астероїд у цілісності: притягання ван дер Ваальса як постійну силу, що діє в місцях дотику двох зерен, та гравітацію, розраховану безпосередньо між кожною частинкою. Потім валуни розсували сили, інтенсивність яких поступово зростала невеликими кроками. Напруження в мості зростало, досягало стабільної величини, а потім різко падало до нуля, коли міст руйнувався. Це пікове значення і є межа міцності на розтяг.

Як розмір і форма зерен впливають на міцність астероїда Бенну?

Моделювання показало, що міцність залежала від двох факторів: розміру зерен та ступеня відхилення їхньої форми від сферичної. Менші зерна утворювали міцніші містки. Якщо зменшити розмір зерен, у тому самому просторі їх вміщується більше, а це означає, що з’являється більше точок контакту, які утримують структуру разом.

Форма також мала значення. Дві сфери стикаються в одній точці, тоді як два кутові зерна можуть стикатися вздовж ребра або по всій грані. «Форма частинок має важливе значення, оскільки несферичні частинки можуть мати кілька точок контакту, а також укладатися дуже щільно, тим самим збільшуючи кількість точок контакту та зменшуючи пористість (порожній простір між частинками)», — пояснив Санчес.

Ці два ефекти можуть взаємно компенсувати один одного, тому міст із великих кутових зерен може за своїми характеристиками відповідати мосту з дрібних округлих зерен. Саме це робить цю модель універсальною: для прогнозування міцності достатньо будь-якого одного виміру — розміру або сферичності.

Застосована до Бенну, з використанням когезійних сил, виміряних на зразках, що повернулися, ця модель визначила міцність поверхні нижче 1 паскаля, що збігається з незалежними оцінками, отриманими за допомогою дистанційного зондування та під час самого відбору зразків. Це означає, що поверхня астероїда Бенну в 50 разів слабкіша за сформований зі свіжомеленої кави циліндр. Причиною цього є нестача дрібного пилу.

Застосування теорії у зіткненні з астероїдами

Майже все, що відомо про астероїди, походить з їхніх видимих поверхонь. Їхня міцність різниться і виявляється лише тоді, коли на них діє якийсь зовнішній вплив.

«Уявіть, що у вас у коробці є купа камінців і пилу. Ви можете нахилити коробку і визначити кут, під яким частинки всередині починають ковзати вниз (подія, що спричиняє руйнування), але як дізнатися цей кут, не нахиляючи коробку?», — запитав Санчес.

Ця невизначеність має важливе значення для захисту планети, оскільки те, як далеко астероїд зміститься після зіткнення, залежить від властивостей, які доводиться припускати. NASA перевірила це у 2022 році, коли її космічний апарат DART зіткнувся з астероїдом Діморф.

Нова теорія, висунута в дослідженні, пов’язана з розміром частинок, їхнім розподілом за розмірами та пористістю. Вона може дати змогу отримати початкову оцінку міцності астероїдів на розтяг і зчеплення. Це ключові параметри матеріалу для комп’ютерних моделей, що відтворюють зіткнення з астероїдами — єдиний перевірений метод відхилення астероїдів.

Наступним кроком команда планує розширити цю модель на ширші діапазони розмірів зерен та на внутрішню частину астероїдів — ту частину, яку жодна місія ще ніколи не бачила.