Поверхня астероїда Бенну в 50 разів слабкіша за мелену каву

Вчені 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, вчені розробили універсальну шкалу для оцінки міцності гранулярних астероїдів, продемонструвавши, що їхню міцність на розтяг можна передбачити на основі розміру та форми 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.

Вчені 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 було запропоновано взяти за основу рідкі містки, які вода на Землі утворює між крихітними піщинками».

Бар’єр обертання «купи уламків»

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

Купа уламків, що обертається достатньо швидко, розлетиться на частини, і для тіла, яке утримується разом лише силою гравітації, ця межа не залежить від розміру. Більші астероїди дотримуються її, що саме по собі є доказом того, що вони є купами уламків, а не суцільною породою.

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: 1) моделювання ще не могло враховувати реалістичні форми зерен. 2) властивості матеріалу, від яких залежать ці розрахунки, такі як сила зчеплення між частинками, також доводилося припускати, а не вимірювати.

Ситуація змінилася, коли у 2023 році місія NASA OSIRIS-REx доставила 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 фути) 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 сантиметрів (від 0,8 до 2 дюймів) як у однорідних, так і в змішаних партіях. Їхню форму вимірювали за допомогою показника сферичності.

У модель було вбудовано 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 вміщується більше зерен, 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 можуть 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 слабіша за сформований зі свежемеленої 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?» — сказав 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, розподілом частинок за розмірами та пористістю. Вона може дати початкове наближення до значень міцності астероїдів на розтяг та зчеплення. Це основні параметри матеріалу для програмних кодів, що моделюють 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.