Раскрыта неожиданная причина хрупкости астероида Бенну
Учёные разработали новую модель, которая позволяет рассчитывать прочность астероидов по размеру и форме составляющих их частиц. С помощью этого подхода исследователи выяснили, что поверхность астероида Бенну обладает прочностью менее 1 паскаля — примерно в 50 раз меньше, чем у свежемолотого кофе.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, помогает понять, как устроены так называемые «гравийные» или рыхлые астероиды — объекты, которые состоят не из цельной породы, а из смеси пыли, камней и крупных обломков, удерживаемых слабой гравитацией и силами сцепления между частицами.
К таким астероидам относятся Бенну, Рюгу и Итокава. Космические миссии показали, что их поверхность больше похожа на плохо уплотнённую груду обломков, чем на твёрдый камень.
Учёные давно пытаются понять, какие силы удерживают такие тела вместе. Однако прежние компьютерные модели имели серьёзное ограничение: частицы в расчётах обычно представляли в виде идеальных сфер, хотя реальные зёрна астероидного материала имеют неправильную форму, острые грани и различную степень вытянутости.
Исследователи решили создать более реалистичную модель, учитывающую настоящую геометрию частиц. Они изучили, как форма и размер отдельных зёрен влияют на общую прочность структуры.
Одной из главных проблем было то, что моделирование всего астероида невозможно даже для современных компьютеров. Поэтому учёные создали уменьшенную модель участка поверхности: между двумя крупными блоками размером около одного метра они разместили слой мелких частиц, который выполнял роль своеобразного «цемента».
Затем исследователи постепенно увеличивали силу, пытаясь разорвать эту структуру. Максимальная нагрузка перед разрушением определяла предел прочности материала.
Всего команда провела 78 компьютерных экспериментов. В одних моделях частицы имели форму идеальных сфер, а в других представляли собой многогранники различной формы — от почти круглых до сильно вытянутых. Размер частиц составлял от 2 до 5 сантиметров.
В расчётах учитывались два основных механизма, удерживающих астероидный материал вместе: слабые силы притяжения между частицами, известные как силы Ван-дер-Ваальса, и собственная гравитация всех элементов модели.
Результаты показали, что прочность астероидного материала определяется прежде всего двумя параметрами — размером частиц и степенью отклонения их формы от сферы.
Мелкие частицы создают больше точек контакта между собой, поэтому структура становится прочнее. Однако форма также играет важную роль: угловатые частицы могут соприкасаться не только в одной точке, как сферы, но и по граням или рёбрам, увеличивая количество связей внутри материала.
При этом эти два эффекта могут компенсировать друг друга. Например, слой крупных угловатых частиц может иметь такую же прочность, как слой более мелких округлых зёрен.
Именно это позволило учёным создать универсальную модель: для оценки прочности достаточно знать размер частиц или степень их сферичности.
Когда исследователи применили новую модель к астероиду Бенну, используя данные о силах сцепления, полученные благодаря образцам, доставленным миссией NASA OSIRIS-REx в 2023 году, расчёты показали прочность поверхности менее 1 паскаля.
Для сравнения, свежемолотый кофе имеет прочность около 50 паскалей. По словам исследователей, поверхность Бенну примерно в 50 раз слабее — давление одного пальца уже может разрушить небольшой слой такого материала.
Главная причина такой слабости заключается в недостатке мелкой пыли. Если между крупными обломками недостаточно маленьких частиц, количество контактов между ними уменьшается, и структура становится менее устойчивой.
Полученные результаты важны не только для понимания строения астероидов, но и для планетарной защиты. Чтобы изменить траекторию опасного астероида, необходимо знать его механические свойства. Именно от прочности материала зависит, как объект отреагирует на столкновение с космическим аппаратом.
NASA проверило подобный подход в 2022 году во время миссии DART, когда аппарат столкнулся с астероидом Диморф. Однако точное моделирование таких ударов требует знания параметров внутреннего строения астероида, которые пока остаются плохо изученными.
Новая модель может стать основой для более точных расчётов столкновений и оценки способов отклонения астероидов от потенциально опасных траекторий.
В дальнейшем исследователи планируют расширить модель, изучив более широкий диапазон размеров частиц и применив её к внутренним слоям астероидов, которые пока не удалось исследовать напрямую.
Исследование в журнале Nature Communications.