Ядерный взрыв потенциально способен защитить Землю от приближающегося астероида: он высвобождает мощное рентгеновское излучение, которое нагревает поверхность астероида и смещает его на более безопасную траекторию. Однако новое исследование показывает, что успех такой миссии может в значительной степени зависеть от того, с какой стороны на астероид придётся взрыв.
В отличие от гладких округлых объектов, которые часто используют в компьютерных симуляциях, у реальных астероидов неровная поверхность и неправильная форма. Эти различия могут существенно влиять на то, как астероид движется под действием интенсивного излучения.
Новое исследование, опубликованное в журнале Icarus, показало, что изменение направления рентгеновской вспышки может давать совершенно разные результаты даже для одного и того же астероида. В одной из симуляций скорость астероида изменилась на 3,9 миллиметра в секунду при облучении с одной стороны и всего на 0,8 миллиметра в секунду при облучении с другой. Это почти пятикратная разница в скорости отклонения — то есть в изменении поступательной скорости астероида, вызванном вспышкой.
«Мы ожидали, что прицеливание будет иметь значение, — сказал Натан Мур, физик из Национальных лабораторий Сандия, руководивший исследованием. — Удивило нас то, насколько большое».
Влияние на вращение астероида может быть ещё более заметным. Для другого смоделированного астероида изменение скорости вращения различалось в 17 раз в зависимости от направления рентгеновского излучения.
Эти результаты говорят о том, что знание формы астероида и тщательный выбор места, куда направить ядерный взрыв, могут оказаться решающими для защиты Земли от будущего столкновения.
Исследование было профинансировано в рамках программы Sandia «Лабораторно направляемые исследования и разработки» (Laboratory Directed Research and Development).
Новый способ моделирования отклонения астероидов
Чтобы изучить, как астероиды разной формы реагируют на ядерные взрывы, Мур и его коллеги разработали то, что они называют самой точной на сегодняшний день моделью отклонения астероидов.
У прежних компьютерных моделей было серьёзное ограничение. Исследователям, как правило, приходилось выбирать: либо воспроизводить сложную форму астероида, либо проводить очень детальные расчёты задействованных физических сил. Сочетание обоих подходов требовало больше вычислительной мощности, чем было доступно на практике.
Новая система преодолевает это препятствие: она позволяет учёным изучать реалистичные формы астероидов и при этом сохранять точность, необходимую для расчёта их реакции на рентгеновскую вспышку. В результате получилась самая подробная из созданных к настоящему времени симуляций отклонения астероида.
«Наш новый алгоритм более чем в 1600 раз быстрее, и это было критически важно для прорыва, — сказал Мур. — Со старыми моделями компьютеры просто не справлялись».
Почему неровная форма астероидов меняет всё
Интерес Мура к улучшению этих расчётов возник после более раннего эксперимента на установке Z в Sandia. Этот эксперимент впервые показал, что рентгеновское излучение может отклонить небольшой фрагмент астероидного вещества.
Следующей задачей было определить, как тот же физический процесс повлияет на целый астероид.
«Я начал думать, как масштабировать расчёт, чтобы точнее предсказывать отклонение астероида в натуральную величину».
Серьёзной проблемой была широко распространённая практика считать астероиды сферами. Это упрощает математику, но не учитывает неправильную форму реальных астероидов, на которых бывают хребты, впадины и неровные участки поверхности.
«Так можно получить оценки, но астероиды бывают самых причудливых, неровных форм, — сказал он. — Тогда я вспомнил о работе одного из моих коллег, связанной с газовыделением объектов в космосе. Думаю, у нас случилось озарение, когда мы поняли, что это возможно. Больше никаких сфер. Мы сможем моделировать отклонение для любого астероида».
Решение заключалось в объединении двух сложных систем моделирования, которые уже использовались в Sandia для совершенно разных типов физических задач.
«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, обычно используют для моделирования сравнительно слабых, медленно меняющихся сил, таких как торможение спутника солнечным ветром», — объяснил Мур.
«Главным нововведением стало то, что мы придумали, как объединить эти два подхода к моделированию».
Предсказание последствий ядерного взрыва
Новая компьютерная модель позволяет исследователям воссоздать астероид по подробным трёхмерным изображениям, полученным при пролётах космических аппаратов. Затем они могут смоделировать ядерную рентгеновскую вспышку, изменяя мощность взрыва, его расстояние до астероида и направление, с которого приходит излучение.
Программа рассчитывает, сколько вещества испарится на разных участках поверхности астероида, и показывает результаты в виде тепловой карты. На основе этих данных она оценивает возникающий импульс, изменения во вращении астероида и степень повреждения поверхности.
Эти расчёты важны потому, что успешная миссия планетарной защиты в идеале должна изменить траекторию астероида, не разрушив его на несколько опасных фрагментов. Перенаправить один крупный объект может быть предпочтительнее, чем создать несколько обломков, которые всё равно могут угрожать Земле.
Однако симуляции пока не позволяют предсказать все возможные последствия ядерного взрыва.
«Сейчас наша компьютерная модель учитывает только разрушение пород на поверхности. Разрушение астероида целиком мы пока не можем точно предсказать», — сказал Мур.
Для этого потребуются дополнительные исследования, инвестиции и более совершенные вычислительные инструменты. Интенсивная рентгеновская вспышка может вызывать множество физических эффектов, часть из которых влияют друг на друга. Учёт всех этих взаимодействий крайне затрудняет точное предсказание того, как астероид поведёт себя при реальной попытке отклонения.
Правильно выбранный взрыв мог бы спасти Землю
Несмотря на оставшиеся трудности, полученные результаты дают ценные ориентиры для будущих усилий по планетарной защите. Исследование показывает, что направление ядерного взрыва — не просто мелкая деталь. Оно может существенно влиять на эффективность отклонения астероида.
«Наше исследование показывает, как важно тщательно целиться, — сказал Мур. — Выберете правильную сторону — победите. Ошибётесь — день может выдаться очень плохим».
Новые инструменты моделирования могут в будущем помочь планировщикам миссий найти наиболее эффективный способ отклонить опасный астероид. В принципе, исследователи смогут ввести подробные данные о его форме, а затем рассчитать оптимальную мощность взрыва, расстояние и направление, необходимые, чтобы отвести астероид от Земли.
Превратить эти расчёты в реальную миссию всё равно было бы чрезвычайно трудно.
Во-первых, программе нужны достаточно точные сведения о форме астероида со всех сторон. Если астероид обнаружат на курсе столкновения с Землёй, времени на сбор необходимых наблюдений может не хватить.
Другая сложность — доставить ядерное устройство и разместить его строго в нужной точке относительно астероида, движущегося в космосе. Даже если учёные определят идеальную конфигурацию взрыва, для её осуществления потребуется исключительная точность.
Тем не менее улучшенные симуляции могут устранить значительную часть неопределённости, связанной с одним из возможных методов защиты от астероидов. Лучше понимая, как ядерное рентгеновское излучение взаимодействует со сложными поверхностями реальных астероидов, учёные приближаются к тому, чтобы предсказывать, какие стратегии сработают лучше всего.
Для Мура этот прогресс — обнадёживающий шаг к тому, чтобы у человечества было больше шансов предотвратить катастрофическое столкновение с астероидом.