Если бы опасный астероид летел к Земле, одним из способов защиты мог бы стать ядерный взрыв: рентгеновское излучение ударило бы по одной из сторон астероида и сдвинуло бы его с курса. Но новые компьютерные симуляции показывают, что в случае неровного астероида неправильной формы то, куда именно попадёт рентгеновское излучение, может иметь огромное значение.
В исследовании, опубликованном в журнале Icarus, учёные обнаружили, что облучение разных сторон одного и того же смоделированного астероида меняло и импульс, который передавал взрыв, и вызванное им вращение. В одном из случаев скорость отклонения — изменение линейной скорости астероида после смоделированной рентгеновской вспышки — составила 3,9 миллиметра в секунду при одном угле облучения и всего 0,8 миллиметра в секунду при другом: разница почти в пять раз.
«Мы ожидали, что прицеливание играет роль, — сказал Натан Мур, физик из Национальных лабораторий Сандиа, руководивший исследованием. — Удивило нас то, насколько большую».
Для другого астероида изменение скорости вращения после отклонения — то есть то, насколько быстро он закрутился, — различалось в 17 раз.
Полученные результаты показывают: если в реальности пытаться отклонить астероид с помощью ядерного взрыва, знание формы объекта и выбор правильной стороны для воздействия могут оказаться решающими.
Больше никаких сфер
Чтобы получить эти данные, Мур и его коллеги создали самую точную на сегодняшний день модель отклонения астероида. Большинство прежних моделей упрощали чрезвычайно сложную задачу: приходилось выбирать между реалистичной формой астероидов и высокоточными расчётами. Команда Мура создала модель, которая сочетает и то и другое.
Новые симуляции дают самое детальное на сегодняшний день представление о задаче отклонения астероида.
«Наш новый алгоритм работает более чем в 1600 раз быстрее, и это было ключевым для прорыва, — сказал Мур. — Со старыми моделями компьютеры просто не справлялись».
Мур занимается вопросом точного моделирования с тех пор, как эксперимент на установке Z в Сандиа впервые показал, что рентгеновское излучение способно отклонить небольшой фрагмент астероидного материала.
«Я задумался, как масштабировать расчёт, чтобы точнее предсказывать отклонение полноразмерного астероида».
По его словам, большинство исследователей моделировали астероиды в виде сфер. Это упрощало математику. Но сферических астероидов не существует.
«Так можно получить оценки, но астероиды бывают самых причудливых неровных форм, — сказал он. — Тогда я ухватился за работу одного из моих коллег, связанную с газоотделением объектов в космосе. Думаю, у нас был момент озарения, когда мы поняли, что это можно сделать. Больше никаких сфер. Мы сможем моделировать отклонение для любого астероида».
Он взял высокоточные программные коды, которые в Сандиа используются для самых разных задач, и объединил их для работы с астероидами.
«Код ALEGRA обычно применяют для моделирования быстрых высокоэнергетических экспериментов, например магнитного сжатия проволочек на установке Z, а SPARTA, код прямого статистического моделирования методом Монте-Карло, — для моделирования сравнительно слабых, медленно меняющихся воздействий, таких как торможение спутника солнечным ветром», — объяснил Мур.
«Главным новшеством стало то, что мы придумали, как объединить эти два подхода к моделированию».
Симуляции ради более безопасного будущего
Симуляции позволяют смоделировать астероид по трёхмерным снимкам высокого разрешения, полученным космическими аппаратами при пролёте, а затем рассчитать эффекты рентгеновской вспышки, задавая размер и расстояние взрыва, а также то, какая сторона будет облучена.
Код строит тепловую карту, показывающую, какая часть каждого участка поверхности испарится. По ней программа вычисляет, насколько сильно будет толкнут астероид, как быстро он закрутится и насколько может разрушиться его поверхность.
for asteroid (a) Bennu
Последнее важно, потому что цель — сместить астероид, а не раздробить его на более мелкие, но всё ещё потенциально смертоносные обломки.
«Сейчас наша компьютерная модель учитывает только разрушение пород на поверхности. Мы пока не можем точно предсказать разрушение астероида целиком», — сказал Мур.
Для этого потребуются дополнительные исследования и вложения в ещё более совершенные инструменты моделирования. Рентгеновский взрыв по-разному воздействовал бы на астероид, и эти эффекты могли бы влиять друг на друга. Из-за этого всесторонний расчёт того, что действительно произойдёт в ситуации планетарной защиты, невероятно сложен, но именно к этому стремятся такие учёные, как Мур.
Хотя это задача будущего, нынешние результаты имеют серьёзные последствия на случай, если человечеству когда-нибудь придётся отклонять астероид.
«Наше исследование показывает, как важно тщательно целиться, — сказал Мур. — Выберешь правильную сторону — победишь. Ошибёшься — день может выдаться плохой».
Работа его команды даёт инструмент, позволяющий планировать операцию и повышать шансы на успех. Теоретически можно загрузить данные об астероиде, рассчитать оптимальную мощность взрыва, расстояние и направление, чтобы спасти Землю, а затем выполнить задуманное.
Есть и ограничения. Для симуляции нужны довольно точные данные о форме астероида со всех сторон, а у людей может не оказаться времени, чтобы их получить. Кроме того, было бы непросто расположить взрывное устройство на идеальном расстоянии от нужной стороны астероида, который беззвучно мчится сквозь космос.
Тем не менее это исследование уменьшает долю догадок в вопросе предотвращения конца света.
И это, по словам Мура, очень обнадёживает.