Учёные смоделировали разрушение опасного астероида с помощью ядерного взрыва
Американские учёные провели трёхмерное моделирование воздействия ядерного взрыва на астероид размером около 160 метров, потенциально угрожающий Земле. В одном из экспериментов почти 98% вещества небесного тела получило серьёзные структурные повреждения, а значительная часть материала начала разлетаться со скоростью, достаточной для преодоления собственного гравитационного притяжения астероида. Результаты показывают, что ядерный взрыв может стать одним из способов предотвращения столкновения крупных астероидов с Землёй.
Исследование провели специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в США под руководством Исайи Сантистевана. Они разработали трёхмерную компьютерную модель, позволяющую проследить, как мощное рентгеновское излучение от ядерного взрыва воздействует на поверхность астероида и вызывает разрушение его внутренней структуры.
Защита Земли от опасных астероидов предусматривает два основных подхода. Первый заключается в изменении траектории небесного тела, чтобы оно прошло мимо планеты, сохранив свою целостность. Второй предполагает разрушение астероида на небольшие фрагменты с их последующим рассеиванием в пространстве.
Возможность изменения орбиты астероида уже была продемонстрирована NASA в 2022 году в рамках миссии DART. Космический аппарат намеренно столкнулся с астероидом Диморф и изменил период его обращения вокруг более крупного тела. Однако для особенно массивных объектов или при обнаружении угрозы незадолго до столкновения кинетического воздействия может оказаться недостаточно.
Ядерный взрыв рассматривается как альтернативный способ передачи астероиду большого количества энергии. При подрыве заряда на некотором расстоянии от поверхности мощное рентгеновское излучение быстро нагревает внешние слои вещества и вызывает их испарение. Выброс нагретого материала создаёт реактивное воздействие, которое может изменить движение астероида или привести к разрушению его структуры.
Для изучения этих процессов исследователи использовали программный комплекс Spheral, предназначенный для моделирования движения и разрушения материалов под действием экстремальных нагрузок. Сначала они выполнили более 1500 одномерных расчётов и сравнили результаты с данными другой проверенной моделирующей системы Ares. Расхождения в большинстве рассмотренных условий оказались небольшими, что позволило перейти к более сложным трёхмерным экспериментам.
Затем учёные рассмотрели три сценария воздействия на астероид неправильной формы размером около 160 метров. Они изменяли расстояние между предполагаемым местом взрыва и поверхностью небесного тела, а также параметры, определяющие прочность материала и особенности образования трещин.
В двух из трёх сценариев расчёты показали выраженные признаки разрушения астероида. В самом продолжительном эксперименте около 98% его вещества достигло состояния сильного структурного повреждения. При этом примерно 97% материала двигалось быстрее скорости, необходимой для преодоления гравитационного притяжения самого астероида.
Дополнительным свидетельством разрушения стало движение вещества в противоположных направлениях. Это указывает на то, что астероид мог распадаться на отдельные фрагменты, а не просто деформироваться под действием взрыва.
Неожиданный результат был получен при сравнении разных расстояний до места взрыва. В одном из сценариев более удалённый взрыв передал астероиду меньше энергии, но вызвал более обширные повреждения. Исследователи объясняют это тем, что излучение распределилось по большей площади поверхности, изменив характер разрушения материала.
Однако это не означает, что увеличение расстояния до взрыва всегда повышает его эффективность. Результат зависит от размеров, формы, состава и внутреннего строения астероида, а также от того, требуется ли изменить его траекторию или разрушить на отдельные части.
Одним из главных ограничений исследования стала высокая вычислительная сложность. Самое продолжительное моделирование выполнялось на 1680 процессорах в течение 59 суток, но охватило лишь первые 145 миллисекунд после воздействия. Этого времени оказалось достаточно для наблюдения начальных повреждений и движения вещества, но недостаточно для определения дальнейшей судьбы обломков.
Чтобы подтвердить безопасное разрушение астероида, необходимо установить, что образовавшиеся фрагменты достаточно малы и не смогут вновь объединиться под действием взаимного притяжения. В рассматриваемых моделях одним из ориентиров является отсутствие крупных обломков размером более 10 метров. Пока исследователи не смогли проследить процесс настолько долго, чтобы подтвердить выполнение этих условий.
Следующим этапом станет повышение скорости вычислений и разработка более реалистичных моделей астероидов. В частности, учёные планируют изучить объекты, состоящие из множества слабо связанных обломков, а также сравнить компьютерные результаты с лабораторными экспериментами.
Новая работа не доказывает, что ядерный взрыв гарантированно устранит угрозу столкновения астероида с Землёй. Однако она позволяет подробнее изучить процессы разрушения небесных тел и оценить перспективность такого подхода для планетарной защиты в ситуациях, когда времени на изменение орбиты опасного объекта остаётся мало.
Исследование в журнале The Planetary Science Journal.