Астероиды часто представляют себе как огромные монолитные камни, летящие через космос. Однако исследования последних десятилетий показали, что многие небольшие астероиды устроены совершенно иначе. Они представляют собой своеобразные космические «кучи щебня» — скопления валунов, камней, пыли и мелких частиц, удерживаемых вместе собственной гравитацией и очень слабыми силами сцепления.

Но насколько прочны такие объекты? Ответ на этот вопрос имеет значение не только для понимания происхождения и эволюции астероидов. От механических свойств космических тел зависит и то, как они поведут себя при столкновении с другим объектом или при попытке изменить их траекторию.

Новое исследование позволило по-новому оценить прочность астероидного материала. Учёные выяснили, что ключевую роль играют размер и форма частиц, из которых состоит поверхность и внутреннее вещество астероида. Применение новой модели к астероиду Бенну дало особенно наглядный результат: его поверхностный материал оказался примерно в 50 раз слабее свежемолотого кофе.

Почему астероиды не всегда являются цельными камнями

Среди астероидов Солнечной системы существует большое разнообразие объектов. Некоторые могут представлять собой относительно прочные тела, однако многие небольшие астероиды имеют структуру, сформированную из большого количества отдельных фрагментов.

Такие объекты часто называют астероидами типа «груда обломков». Они могли образоваться после разрушения более крупного тела, когда выброшенные при столкновении фрагменты впоследствии снова собрались под действием гравитации.

Валун, пыль и пустоты внутри одного космического тела

Внутри подобного астероида могут находиться крупные валуны, камни значительно меньшего размера, пылевые частицы и многочисленные пустоты. В отличие от монолитной скалы, прочность такого объекта определяется не прочностью единого материала, а взаимодействием огромного количества отдельных частиц.

Гравитация удерживает эти фрагменты вместе, но на небольших масштабах начинают играть роль и другие силы. Особенно важным может быть сцепление между мелкими частицами.

Именно поэтому астероид нельзя рассматривать просто как уменьшенную версию обычной горной породы. Его механические свойства зависят от внутренней структуры и от того, как именно соприкасаются между собой составляющие его частицы.

Что такое реголит

Поверхность многих астероидов покрыта реголитом — рыхлым слоем пыли, мелких камней и других обломков.

Реголит формируется в результате длительного воздействия космической среды. Поверхность астероида подвергается ударам микрометеоритов, температурным изменениям и другим процессам, которые постепенно разрушают крупные породы и создают более мелкий материал.

На Земле мелкие частицы обычно находятся под сильным воздействием атмосферы, воды и других факторов. На астероиде ситуация совершенно иная. Здесь отсутствует привычная земная среда, а слабая гравитация значительно меняет поведение рыхлого материала.

Существует предел скорости вращения астероидов

Одним из важных признаков внутреннего строения астероидов является скорость их вращения.

Наблюдения показали, что многие относительно крупные астероиды не вращаются быстрее определённого предела. Для объектов, представляющих собой рыхлые скопления материала, слишком быстрое вращение становится опасным.

Центробежный эффект начинает противодействовать гравитации, удерживающей частицы на поверхности и внутри астероида. Если вращение становится слишком быстрым, рыхлая структура может начать разрушаться.

Почему крупные астероиды не могут вращаться бесконечно быстро

Для тела, которое удерживается главным образом собственной гравитацией, существует предел скорости вращения. При превышении этого предела частицы начинают легче покидать поверхность, а сам объект может потерять устойчивость.

Именно поэтому для многих астероидов наблюдается характерный барьер скорости вращения. Он считается одним из важных свидетельств того, что значительная часть таких тел не является монолитными камнями.

Если бы астероид представлял собой цельную и достаточно прочную скалу, его собственная прочность могла бы позволять ему вращаться значительно быстрее.

Почему небольшие астероиды ведут себя иначе

У более маленьких объектов ситуация меняется.

По мере уменьшения размеров астероида его собственная гравитация становится значительно слабее. Однако силы взаимодействия между отдельными частицами не исчезают с уменьшением размеров тела таким же образом.

В результате для небольших астероидов сцепление между частицами может играть гораздо более важную роль.

Это помогает объяснить, почему некоторые маленькие астероиды способны вращаться быстрее предела, характерного для крупных рыхлых тел. Их частицы удерживаются не только общей гравитацией объекта, но и дополнительными силами сцепления.

Как слабые силы могут удерживать космические камни вместе

Одним из механизмов, способных связывать мелкие частицы астероидного реголита, считаются силы Ван-дер-Ваальса.

Эти силы возникают между атомами и молекулами на очень малых расстояниях. Для крупных объектов их влияние обычно кажется незначительным, однако при взаимодействии огромного количества мелких частиц суммарный эффект может стать важным.

Космический аналог слабого цемента

Мелкие частицы могут располагаться между более крупными камнями и валунами. В этом случае они создают множество точек контакта.

Каждая отдельная связь чрезвычайно слаба, но большое количество контактов способно заметно увеличить общую прочность структуры.

Учёные сравнивают этот эффект с очень слабым цементом, который связывает более крупные элементы между собой. Такой материал всё равно остаётся крайне непрочным по земным меркам, однако для астероида в условиях слабой гравитации этого может быть достаточно, чтобы существенно изменить его поведение.

Почему размер частиц имеет такое большое значение

Чем меньше частицы, тем больше их может поместиться в одном и том же объёме.

Это означает увеличение числа контактов между отдельными зёрнами. А большее количество контактов создаёт больше возможностей для действия сил сцепления.

Поэтому уменьшение размера частиц может приводить к увеличению прочности рыхлого материала. Этот принцип оказался одним из ключевых результатов нового исследования.

Но размер — не единственный важный фактор.

Форма частиц оказалась не менее важной, чем их размер

Долгое время компьютерные модели астероидного материала сталкивались с серьёзным ограничением. Для упрощения расчётов частицы обычно представляли в виде идеальных шаров.

Такой подход удобен для компьютерного моделирования, однако реальные частицы пыли и обломков имеют совершенно другую форму. Они могут быть угловатыми, вытянутыми, плоскими и неправильными.

Новое исследование позволило включить более реалистичные формы частиц в расчёты.

Почему шар и угловатый камень ведут себя по-разному

Два идеальных шара при соприкосновении имеют очень ограниченную область контакта.

Угловатые частицы могут соприкасаться иначе. Их контакт может происходить не только отдельными точками, но также вдоль рёбер или более крупных участков поверхности.

Кроме того, частицы неправильной формы способны плотнее располагаться относительно друг друга.

Больше контактов — другая прочность

Форма частиц влияет на количество точек взаимодействия внутри материала.

Угловатые и неправильные зёрна могут создавать больше контактов и уменьшать объём пустот между частицами. Это изменяет общую структуру материала и его способность сопротивляться разрушению.

Однако связь между формой и прочностью не всегда является простой.

Крупные угловатые частицы при определённых условиях могут образовать структуру, сопоставимую по прочности со скоплением более мелких и округлых зёрен. Разные свойства частиц способны частично компенсировать друг друга.

Именно поэтому учёт одновременно размера и формы позволяет получить более универсальное представление о механике астероидного вещества.

Что такое сферичность частиц

Для описания формы исследователи использовали характеристику, известную как сферичность.

Она показывает, насколько форма частицы близка к идеальному шару. Чем сильнее частица отличается от сферической, тем заметнее могут быть особенности её контактов с соседними зёрнами.

Эта характеристика оказалась полезной для оценки того, как форма материала связана с его общей прочностью.

Вместо целого астероида учёные смоделировали его небольшой участок

Смоделировать в компьютере весь астероид со всеми камнями, валунами и мельчайшими пылевыми частицами чрезвычайно сложно.

Количество элементов в реальном объекте может быть огромным, а расчёт взаимодействия между ними требует колоссальных вычислительных ресурсов.

Поэтому исследователи выбрали другой подход.

Модель «моста» между двумя валунами

Учёные создали компьютерную модель небольшого участка астероидного материала.

Между двумя крупными валунами разместили скопление мелких частиц. Этот слой выполнял роль своеобразного гранулированного моста, связывающего более крупные элементы.

Затем валуны постепенно растягивали в противоположные стороны.

По мере увеличения нагрузки внутри скопления возрастало напряжение. В определённый момент структура теряла устойчивость и разрушалась.

Максимальная нагрузка, которую материал выдерживал перед разрушением, использовалась для оценки его прочности на растяжение.

Десятки вариантов формы и размера

В рамках исследования было проведено 78 компьютерных моделирований.

В одних случаях использовались сферические частицы. В других — многогранные тела различных форм, от почти округлых до значительно вытянутых.

Размер частиц в моделях также менялся. Исследователи изучали как относительно однородные наборы зёрен, так и смеси частиц разных размеров.

При этом в расчётах учитывались оба основных механизма, способных удерживать материал астероида: взаимное гравитационное притяжение и силы Ван-дер-Ваальса между соприкасающимися частицами.

Что показали компьютерные эксперименты

Главный результат оказался достаточно понятным с физической точки зрения: меньшие частицы обычно создавали более прочную структуру.

Причина заключается в количестве контактов. Если размеры зёрен уменьшаются, в том же объёме помещается больше частиц, а значит, увеличивается число мест их соприкосновения.

Но форма также существенно влияла на результат.

Неправильные частицы могли плотнее упаковываться и создавать дополнительные контакты. Поэтому в некоторых случаях крупные угловатые зёрна формировали структуру, сравнимую по прочности с материалом из более мелких округлых частиц.

Таким образом, прочность астероидного материала нельзя определять только по одному параметру.

Бенну оказался чрезвычайно слабым

Особенно интересным стало применение новой модели к астероиду Бенну.

Этот небольшой околоземный астероид стал одним из наиболее подробно исследованных объектов такого типа благодаря миссии OSIRIS-REx.

Космический аппарат не только изучал Бенну с близкого расстояния, но и доставил на Землю образцы вещества астероида.

Почему возвращённые образцы изменили ситуацию

Раньше исследователям приходилось делать предположения о некоторых свойствах материала астероидов.

Компьютерные модели могли учитывать общие физические принципы, однако реальные параметры взаимодействия между частицами оставались известны недостаточно точно.

Доставка вещества Бенну на Землю изменила ситуацию.

Полученные образцы позволили непосредственно исследовать свойства материала, включая параметры, важные для оценки сил сцепления между частицами.

Это сделало возможным более реалистичное применение теоретической модели.

Поверхностная прочность меньше одного паскаля

Согласно результатам применения новой модели, прочность поверхностного материала Бенну на растяжение составляет менее одного паскаля.

Для сравнения, один паскаль — чрезвычайно небольшая величина давления по земным меркам.

Полученная оценка согласуется с независимыми данными, полученными ранее при дистанционном исследовании астероида и во время операции по сбору образца.

Это особенно важно, поскольку совпадение результатов, полученных разными способами, повышает доверие к новой модели.

Почему Бенну сравнили с молотым кофе

Для наглядного объяснения чрезвычайно низкой прочности материала использовали сравнение со свежемолотым кофе.

Небольшой цилиндр из такого кофе обладает прочностью примерно 50 паскалей. В его структуре можно сделать отверстие пальцем, однако он всё же сохраняет определённую форму.

Поверхностный материал Бенну оказался примерно в 50 раз слабее.

Это означает, что рыхлый слой на астероиде обладает чрезвычайно низкой способностью сопротивляться растяжению и разрушению.

Однако это не означает, что Бенну буквально состоит из вещества, похожего на кофе. Сравнение относится исключительно к механической прочности.

Главная причина слабости Бенну — недостаток мелкой пыли

Результаты исследования указывают на важную особенность поверхности астероида.

Несмотря на то что мелкие частицы способны увеличивать прочность гранулированного материала, на Бенну, по-видимому, недостаточно очень мелкой пыли для эффективного заполнения промежутков между более крупными зёрнами и камнями.

Почему пустоты делают структуру слабее

Если между крупными частицами остаётся много свободного пространства, количество контактов уменьшается.

Меньше контактов означает меньше возможностей для действия сил сцепления.

В результате даже при наличии гравитации и слабого межчастичного притяжения материал остаётся крайне рыхлым.

Мелкие частицы могут менять свойства всего астероида

Это один из наиболее интересных выводов исследования.

Казалось бы, пыль должна иметь незначительное значение по сравнению с огромными валунами, которые можно увидеть на поверхности астероида.

Однако именно мельчайшие частицы способны существенно изменить механические свойства всей структуры.

Они заполняют промежутки между более крупными элементами, увеличивают число контактов и создают дополнительные силы сцепления.

Поэтому количество и распределение мелкодисперсного материала могут быть важны не только для внешнего вида астероида, но и для его устойчивости.

Почему прочность астероидов трудно измерить напрямую

Большая часть информации об астероидах поступает от наблюдений их поверхности.

Телескопы и космические аппараты позволяют определить форму объекта, изучить его рельеф, минералогический состав и другие характеристики.

Но механическая прочность проявляется по-настоящему только тогда, когда материал подвергается воздействию.

Недостаточно просто увидеть поверхность

Можно определить размеры валунов и распределение материала на поверхности, однако этого недостаточно для точного понимания того, насколько прочно связаны частицы.

Настоящие свойства становятся заметны при разрушении, смещении или деформации материала.

На Земле подобные параметры можно изучать в лаборатории. Астероид же находится в космосе, и провести полноценное испытание всей его структуры практически невозможно.

Поэтому учёным приходится сочетать дистанционные наблюдения, образцы, компьютерные модели и данные космических миссий.

Внутренность астероидов остаётся малоизученной

Особенно сложной задачей является исследование внутреннего строения.

Поверхность астероида можно фотографировать и сканировать, но его глубинные области остаются недоступными для прямого наблюдения.

Поэтому многие свойства внутренней структуры приходится определять косвенно.

Новая модель потенциально может использоваться для оценки прочности не только поверхностного материала, но и более глубоких областей астероидов после дальнейшего развития метода.

Зачем нужно знать прочность астероидов для планетарной защиты

Механические свойства астероидов имеют практическое значение для защиты Земли от потенциально опасных объектов.

Если когда-либо потребуется изменить траекторию астероида, результат столкновения космического аппарата с его поверхностью будет зависеть не только от массы и скорости аппарата.

Огромное значение имеет то, из чего состоит сам астероид и насколько прочно связаны его частицы.

Один удар может дать совершенно разные результаты

Столкновение с монолитной скалой и столкновение с рыхлой «грудой обломков» будут происходить по-разному.

В одном случае энергия удара может распространяться через относительно прочный материал. В другом значительная часть энергии будет взаимодействовать с рыхлыми частицами и пустотами.

Поэтому одинаковый космический аппарат может вызвать различный эффект на разных астероидах.

Для точного прогнозирования результата необходимо знать такие параметры, как прочность на растяжение, силы сцепления, размер частиц и пористость материала.

Опыт миссии DART

Практическое значение таких исследований уже было продемонстрировано миссией DART.

В 2022 году космический аппарат намеренно столкнулся с астероидом Диморф.

Целью эксперимента была проверка метода кинетического воздействия — изменения движения астероида путём удара космического аппарата.

Этот эксперимент подтвердил, что столкновение может изменить орбитальное движение небесного тела.

Однако для будущих операций планетарной защиты необходимо ещё лучше понимать, как именно разные типы астероидов реагируют на удар.

Компьютерные модели требуют реальных параметров

Перед реальной операцией невозможно провести эксперимент с конкретным опасным астероидом в полном масштабе.

Поэтому специалисты используют компьютерное моделирование.

Но точность таких расчётов напрямую зависит от исходных данных.

Если прочность материала неизвестна или определена неправильно, прогноз поведения астероида после удара может оказаться неточным.

Именно поэтому исследования размера, формы и взаимодействия частиц имеют значение для развития методов планетарной защиты.

Новая модель может упростить оценку свойств космических тел

Одним из главных преимуществ предложенного подхода является возможность связывать прочность гранулированного астероидного материала с наблюдаемыми характеристиками частиц.

Размер зёрен можно оценивать по изображениям поверхности, а форму — описывать с помощью характеристик, связанных со степенью отклонения от сферической формы.

От изображений поверхности к оценке прочности

В идеальном случае учёные хотели бы непосредственно измерить механические свойства каждого астероида.

На практике это невозможно.

Однако космические аппараты могут получать подробные изображения поверхности. На них можно увидеть валуны, камни и особенности распределения материала.

Если характеристики частиц позволяют получить хотя бы первоначальную оценку прочности, это значительно расширяет возможности дистанционного исследования.

Размер частиц связан с распределением пустот

Новая модель учитывает не только отдельный размер зёрен, но и их распределение и связанную с ним пористость материала.

Это важно, поскольку астероидный грунт редко состоит из совершенно одинаковых частиц.

Смесь крупных и мелких зёрен может вести себя иначе, чем материал с одинаковым размером частиц. Мелкие элементы способны заполнять промежутки между крупными, меняя количество контактов и общую плотность упаковки.

Поэтому для оценки механических свойств необходимо учитывать структуру материала в целом.

Что исследователи планируют изучить дальше

Следующим этапом работы должно стать расширение модели.

Учёные намерены исследовать более широкий диапазон размеров частиц и применить подход к внутренним областям астероидов.

Это особенно сложная задача, поскольку ни одна миссия пока не позволила непосредственно увидеть внутреннюю структуру подобного небесного тела целиком.

От поверхности к внутреннему строению

Поверхность астероида постоянно подвергается воздействию космической среды.

Внутренние области могут иметь другое распределение частиц, другую плотность и иные механические свойства.

Поэтому результаты, полученные для поверхности Бенну, нельзя автоматически переносить на весь астероид.

Для понимания поведения космического тела необходимо учитывать различия между поверхностным реголитом и более глубокими слоями.

Почему универсальная модель особенно важна

Астероиды значительно отличаются друг от друга.

Одни содержат больше мелкого материала, другие покрыты крупными валунами. Одни могут иметь высокую пористость, другие — более плотную внутреннюю структуру.

Поэтому универсальный подход, связывающий прочность с фундаментальными характеристиками частиц, способен стать полезным инструментом для изучения широкого спектра объектов.

Астероид Бенну показал, насколько обманчивым может быть внешний вид космического тела

Фотографии Бенну демонстрируют поверхность, покрытую многочисленными крупными валунами. Визуально такой объект может казаться массивным и прочным.

Однако механические исследования показывают совершенно другую картину.

Материал на поверхности астероида обладает чрезвычайно низкой прочностью на растяжение. Огромное космическое тело фактически представляет собой сложную систему отдельных частиц и обломков, удерживаемых сочетанием слабой гравитации и ещё более слабых межчастичных сил.

Новое исследование показывает, что свойства этой системы зависят от деталей, которые на первый взгляд могут показаться незначительными: размера пылинок и камней, их формы, количества контактов и объёма пустот между ними.

Именно такие особенности определяют, насколько устойчивой окажется гранулированная структура.

Для астрономии это открывает новый путь изучения астероидов. Форма и размеры частиц могут дать информацию не только о происхождении поверхности, но и о механических свойствах целого космического тела.

А для планетарной защиты такие данные имеют практическое значение: прежде чем пытаться изменить траекторию потенциально опасного астероида, необходимо понимать, является ли он монолитной скалой или чрезвычайно рыхлым скоплением обломков, свойства которого определяются мельчайшими частицами космической пыли.

 

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org