Большинство современных сценариев планетарной защиты основано на одном принципе: опасный астероид необходимо обнаружить как можно раньше. Чем больше времени остаётся до возможного столкновения с Землёй, тем меньше энергии требуется для изменения его траектории. Даже небольшое отклонение, выполненное задолго до встречи с нашей планетой, со временем может привести к тому, что астероид пройдёт мимо Земли.
Но существует и гораздо более сложная ситуация. Что делать, если опасный объект обнаружен всего за несколько дней или недель до предполагаемого столкновения?
В этом случае многие привычные способы защиты становятся практически бесполезными. Космическому аппарату требуется время, чтобы долететь до астероида, выполнить необходимые манёвры и изменить его движение. При коротком предупреждении потребуется воздействие гораздо большей мощности.
Новое исследование специалистов из Китайской академии технологий ракет-носителей рассматривает один из наиболее радикальных вариантов — применение ядерного заряда для изменения траектории крупного околоземного астероида. Учёные изучили два сценария, причём второй предполагает предварительное создание глубокой полости в астероиде, после чего ядерный заряд должен быть доставлен внутрь неё.
Моделирование показало, что размещение взрыва глубже под поверхностью астероида способно более чем втрое увеличить изменение его скорости по сравнению с поверхностной детонацией при тех же параметрах заряда. Однако речь пока идёт только о компьютерном моделировании, а реализация подобной операции потребовала бы решения целого комплекса чрезвычайно сложных инженерных задач.
Почему раннее обнаружение астероида имеет решающее значение
Опасность околоземных астероидов определяется не только их размером. Критически важен также момент, когда человечество узнаёт об угрозе.
Если астероид обнаружен за десятилетия до возможного столкновения, не требуется резко менять его скорость. Достаточно относительно небольшого изменения траектории, которое за годы или десятилетия накопит необходимое отклонение. В результате объект пройдёт мимо Земли.
Совершенно иная ситуация возникает при позднем обнаружении. Если до столкновения остаются считанные дни, времени на постепенное изменение орбиты практически нет. Защите приходится воздействовать на астероид значительно сильнее.
Именно поэтому планетарная оборона состоит из двух взаимосвязанных задач: необходимо не только научиться отклонять опасные объекты, но и как можно раньше обнаруживать сами астероиды.
По состоянию на июль 2024 года было известно 35 269 околоземных астероидов, из которых 10 933 имели диаметр более 140 метров. Ни один из известных на тот момент объектов не находился на траектории столкновения с Землёй. Однако астрономы предполагают существование большого количества ещё не обнаруженных околоземных астероидов.
Что представляет собой потенциально опасный астероид
Околоземными называют астероиды, орбиты которых подходят достаточно близко к орбите нашей планеты.
Само по себе близкое прохождение не означает угрозы. Большинство таких объектов никогда не столкнётся с Землёй. Их орбиты могут быть рассчитаны, а вероятность столкновения уточняется по мере накопления наблюдений.
Особую обеспокоенность вызывают крупные объекты. Астероид диаметром более 140 метров в случае столкновения способен вызвать разрушения регионального или континентального масштаба. Ещё более крупное тело может иметь последствия глобального характера.
Проблема заключается в том, что не все такие астероиды уже обнаружены. Особенно сложно выявлять объекты, которые приходят с направлений, где их наблюдение с Земли затруднено, или которые обнаруживаются непосредственно перед сближением.
Поэтому даже при существовании развитой системы планетарной обороны нельзя полностью исключить сценарий позднего обнаружения.
Что уже умеет человечество
Миссия DART доказала возможность изменения движения астероида
До недавнего времени идея изменить орбиту астероида оставалась в значительной степени теоретической.
Ситуация изменилась благодаря миссии NASA Double Asteroid Redirection Test, или DART.
В 2022 году аппарат DART намеренно столкнулся с небольшим спутником астероида Дидим — Диморфом. Целью эксперимента было проверить, можно ли изменить движение небесного тела за счёт кинетического удара.
Эксперимент прошёл успешно: столкновение изменило орбитальный период Диморфа. Это стало первым прямым подтверждением того, что человечество способно целенаправленно изменять движение небесного тела с помощью космического аппарата.
Но у метода есть естественное ограничение.
Космический аппарат имеет относительно небольшую массу по сравнению с крупным астероидом. Поэтому передаваемого при столкновении импульса может оказаться недостаточно, если опасный объект обнаружен слишком поздно.
Именно здесь возникает вопрос о гораздо более мощном воздействии.
Почему обычного кинетического удара может не хватить
DART показал, что столкновение способно изменить движение астероида. Однако для планетарной защиты важно не просто изменить скорость объекта, а изменить её настолько, чтобы он не пересёк орбиту Земли в нужный момент.
Если астероид обнаружен за десятилетия, даже небольшой импульс может оказаться достаточным.
Если же времени почти нет, изменение скорости должно быть намного больше.
Поэтому исследователи рассматривают ядерный взрыв как потенциальный инструмент последней линии обороны. Его задача в таком сценарии заключается не обязательно в полном разрушении астероида. Основная цель — передать ему настолько большой импульс, чтобы изменить траекторию и предотвратить столкновение с Землёй.
Два сценария ядерной защиты
Исследование рассматривает два принципиально разных варианта.
Первый предполагает максимально быстрое воздействие: космический аппарат доставляет ядерный заряд к астероиду и осуществляет детонацию вблизи его поверхности.
Второй сценарий значительно сложнее. Сначала в поверхности астероида необходимо создать глубокую полость с помощью кинетических ударов. Затем другой аппарат доставляет ядерный заряд в образовавшуюся полость и производит детонацию внутри неё.
Именно второй вариант оказался наиболее интересным с точки зрения компьютерного моделирования.
Поверхностный взрыв
Самый очевидный вариант заключается в том, чтобы направить ядерный заряд к астероиду и произвести взрыв непосредственно у его поверхности.
Преимущество такого подхода очевидно: он не требует предварительной разведки поверхности и сложной операции по созданию отверстия.
При очень коротком времени предупреждения это может оказаться единственным практически доступным вариантом.
Однако есть серьёзная проблема. Не вся энергия взрыва передаётся астероиду в виде направленного изменения его движения.
Часть энергии уходит на разрушение и выброс материала, часть распространяется в другие направления. Поэтому эффективность такого воздействия с точки зрения изменения скорости астероида может быть ограниченной.
Кроме того, при таком сценарии практически невозможно заранее выбрать оптимальную точку воздействия.
Почему расположение взрыва имеет значение
Для изменения движения астероида важно не только количество выделившейся энергии, но и то, каким образом эта энергия взаимодействует с веществом объекта.
Если взрыв происходит глубже под поверхностью, окружающий материал ограничивает расширение продуктов взрыва. Значительная часть энергии оказывается связана с ускорением вещества астероида и его выбросом наружу.
Этот выброс создаёт реактивный эффект, который способен изменить движение всего тела.
Именно поэтому глубокая детонация может оказаться эффективнее поверхностной.
Однако создать такую полость в астероиде заранее — чрезвычайно сложная задача.
Как работает идея предварительного кратера
Второй сценарий получил название режима предварительного создания полости.
Сначала к астероиду направляется аппарат с кинетическими ударниками. Они должны последовательно попасть практически в одну и ту же точку.
Первый удар создаёт повреждение и начальную полость. Второй удар приходится в тот же район и углубляет её.
Такой принцип предполагает использование так называемого тандемного ударника «1+1», при котором два кинетических элемента последовательно воздействуют на одну область поверхности.
После формирования достаточно глубокой полости следующий аппарат должен доставить туда ядерный заряд.
Таким образом, вместо одного воздействия получается последовательность операций:
- обнаружение и изучение опасного астероида;
- расчёт траектории перехвата;
- доставка кинетических ударников;
- создание глубокой полости;
- доставка ядерного устройства;
- детонация внутри предварительно созданного углубления;
- изменение траектории астероида.
Каждый из этих этапов сам по себе представляет серьёзную инженерную проблему.
Трёхкратное увеличение эффективности в моделировании
Исследователи рассмотрели астероид диаметром около одного километра и сравнили два варианта воздействия.
В первом случае использовался ядерный заряд мощностью 3 мегатонны, детонировавший в неглубокой поверхностной полости. Расчёты показали изменение скорости астероида примерно на 9,2 сантиметра в секунду.
Во втором случае использовался такой же заряд, но перед взрывом в астероиде создавалась полость глубиной около 30 метров.
При таком расположении изменение скорости достигало 30 сантиметров в секунду или более. Таким образом, при одинаковом ядерном заряде моделирование показало более чем трёхкратное увеличение переданного астероиду импульса.
Это не означает, что любой километровый астероид можно таким способом гарантированно отклонить от Земли. Результат зависит от множества параметров: времени до столкновения, исходной орбиты, массы и внутреннего строения объекта, точки детонации и точности выполнения всей операции.
Но расчёт показывает принципиальную ценность глубокого размещения взрыва.
Почему разрушить астероид — не обязательно главная цель
Интуитивно может показаться, что ядерный заряд должен уничтожить опасный объект.
Для планетарной обороны это не всегда оптимальная задача.
Если астероид просто расколоть на множество крупных фрагментов, проблема может стать ещё сложнее. Вместо одного объекта на Землю потенциально могут направиться многочисленные части.
Поэтому гораздо привлекательнее сценарий, при котором астероид остаётся в значительной степени целым, но получает изменение скорости, достаточное для промаха.
Это принципиальное отличие от классического кинематографического сценария.
Целью становится не уничтожение астероида как такового, а изменение его траектории.
Самая большая проблема — неизвестная структура астероида
Компьютерное моделирование имеет важное ограничение.
В рассмотренном исследовании астероид представлялся как монолитное тело из базальта. Это удобная модель для расчётов, но реальные астероиды могут иметь совершенно другое внутреннее устройство.
Многие небольшие тела Солнечной системы предположительно представляют собой так называемые «гравитационные груды» (rubble piles). Они состоят из большого количества фрагментов, удерживаемых вместе в основном собственной гравитацией.
Такой объект будет вести себя при столкновении и взрыве иначе, чем цельный каменный монолит.
Материал может рассыпаться, отдельные фрагменты могут получить различные скорости, а энергия взрыва может распределяться иначе, чем в твёрдом теле.
Поэтому результаты моделирования нельзя непосредственно переносить на все потенциально опасные астероиды.
Что может произойти с «грудой обломков»
Внутреннее строение астероида имеет огромное значение для планетарной защиты.
Монолитный объект можно рассматривать как единое тело: если его скорость изменить на определённую величину, вся масса продолжит двигаться по новой траектории.
У гравитационной груды ситуация сложнее. После мощного воздействия часть материала может получить значительную скорость, другая часть — значительно меньшую. Объект может частично разрушиться.
Для планетарной защиты важно не только то, насколько изменится скорость основного тела, но и то, какие фрагменты образуются и куда они направятся.
Именно поэтому для оценки ядерного сценария потребуются дополнительные модели, учитывающие различные типы внутреннего строения астероидов.
Операция потребует чрезвычайной точности
Предварительное создание глубокой полости выглядит эффективным в компьютерном моделировании, но на практике это одна из наиболее сложных частей всей концепции.
Космический аппарат должен сначала выйти на траекторию астероида и согласовать с ним своё движение.
Затем необходимо исследовать поверхность и определить подходящее место для удара.
После этого два кинетических ударника должны последовательно попасть практически в одну и ту же область.
После первого столкновения поверхность астероида изменится, вокруг образовавшейся полости появится выброшенный материал, а аппаратам придётся работать в условиях движущихся обломков.
Следующий аппарат должен доставить заряд именно к созданной полости.
И всё это необходимо выполнить за ограниченное время, если астероид обнаружен поздно.
Авторы исследования подчёркивают, что практически каждый этап представляет значительную инженерную проблему.
Опыт DART пока лишь начало
Миссия DART стала важнейшим практическим экспериментом в области планетарной обороны, но она проверяла значительно более простую задачу.
Аппарат должен был попасть в известный объект, расположенный в системе двойного астероида, и измерить изменение его орбиты.
Для сценария с поздно обнаруженным опасным астероидом потребуется гораздо больше.
Необходимо будет не просто попасть в объект, а сначала провести разведку, определить его форму и структуру, выбрать точку воздействия, выполнить несколько последовательных операций и обеспечить необходимую точность.
DART доказал возможность кинетического отклонения астероида, но не продемонстрировал технологию подготовки глубокой полости или доставки ядерного заряда внутрь неё.
Почему сценарий с коротким предупреждением настолько сложен
Время является одним из главных ресурсов планетарной обороны.
При наличии нескольких десятилетий можно отправить несколько аппаратов, провести разведку, уточнить орбиту и выбрать наиболее подходящий метод воздействия.
При наличии нескольких месяцев задача становится намного сложнее.
Если же объект обнаружен всего за несколько дней, многие стандартные варианты становятся физически невозможными из-за времени перелёта.
Именно поэтому исследователи рассматривают максимально мощные способы воздействия как возможный резервный вариант.
Ядерный заряд в таком контексте рассматривается не как обычное средство разрушения, а как способ передать астероиду большой импульс за короткое время.
Обнаружение астероидов важнее любой бомбы
Несмотря на интерес к ядерному сценарию, основная задача планетарной обороны остаётся значительно прозаичнее: необходимо найти опасные астероиды заранее.
Даже самая мощная система отклонения будет практически бесполезна, если опасный объект обнаружен непосредственно перед столкновением и времени на подготовку миссии не осталось.
Поэтому астрономы и космические агентства создают специальные системы поиска околоземных объектов.
Одним из будущих инструментов должен стать космический телескоп NASA NEO Surveyor.
NEO Surveyor будет искать опасные объекты
NEO Surveyor предназначен специально для поиска околоземных астероидов и комет.
В отличие от обычных астрономических обзоров, миссия ориентирована на обнаружение объектов, которые могут представлять потенциальную угрозу для Земли.
Запуск аппарата в настоящее время планируется на сентябрь 2027 года.
Такие миссии имеют принципиальное значение для всей системы планетарной обороны.
Чем раньше обнаружен объект, тем больше вариантов остаётся у человечества.
Что произойдёт, если астероид обнаружат за годы
При раннем обнаружении ядерный заряд может вообще не понадобиться.
Если известно, что через несколько десятилетий астероид приблизится к Земле, достаточно очень небольшого изменения его скорости.
Даже минимальное отклонение, накопленное за длительное время, может привести к тому, что в момент пересечения орбиты Земли астероид окажется на значительном расстоянии от нашей планеты.
Именно поэтому кинетический ударник, аналогичный DART, потенциально может быть эффективным инструментом при достаточно раннем предупреждении.
В этом случае не требуется передавать астероиду огромную энергию.
А если остаются месяцы или недели
Сокращение времени резко меняет требования.
Чем ближе предполагаемый момент встречи, тем сильнее нужно изменить движение объекта.
Это не означает, что ядерный вариант автоматически станет единственным решением. Всё будет зависеть от конкретной орбиты, размеров и состава астероида.
Но при очень коротком предупреждении преимущество получают методы, способные передать объекту значительный импульс за один акт воздействия.
Именно поэтому ядерная детонация рассматривается как крайний вариант.
Почему не стоит воспринимать исследование как готовый план спасения Земли
Несмотря на впечатляющие результаты моделирования, исследование не предлагает готовой системы, которую можно было бы немедленно использовать против опасного астероида.
Авторы изучили конкретные сценарии и рассчитали их эффективность для заданной модели астероида.
Между компьютерной моделью и реальной космической миссией существует огромная разница.
Необходимо создать аппараты, способные работать возле быстро движущегося объекта, обеспечить точное наведение, изучить поверхность, синхронизировать несколько ударов и доставить заряд к нужной точке.
Кроме того, необходимо понимать внутреннюю структуру самого астероида.
Пока ни один из этих вопросов не решён настолько полно, чтобы можно было гарантировать успех такой операции.
Ядерный вариант остаётся последней линией обороны
Планетарная оборона строится по принципу нескольких уровней.
Первый уровень — обнаружение потенциально опасных объектов.
Второй — точное определение их орбит и оценка вероятности столкновения.
Третий — наблюдение за объектом и уточнение его физических характеристик.
Четвёртый — выбор способа воздействия.
Если астероид обнаружен заранее, предпочтительным может стать относительно мягкое изменение его траектории. Если времени практически не осталось, потребуются гораздо более мощные методы.
Ядерный заряд в этой системе занимает место крайнего средства, предназначенного для сценария, когда другие варианты уже недостаточно эффективны.
Угроза астероидов остаётся прежде всего задачей наблюдения
Самый важный вывод из исследования заключается не в том, что у человечества появилась «бомба против астероидов».
Гораздо важнее другое: даже очень мощное средство защиты требует предварительной разведки и точного понимания того, с чем именно предстоит иметь дело.
Если астероид обнаружен заранее, задача существенно упрощается. Можно отправить разведывательный аппарат, изучить его поверхность и внутреннее строение, рассчитать необходимое воздействие и при необходимости провести несколько миссий.
Если же объект появляется неожиданно, количество доступных вариантов резко сокращается.
Поэтому развитие систем обнаружения околоземных объектов остаётся основой планетарной защиты.
От кинофантастики к реальной планетарной обороне
Кинематограф давно использует ядерный взрыв как универсальное средство борьбы с астероидами. Реальная наука показывает гораздо более сложную картину.
Нельзя просто «взорвать астероид» и считать проблему решённой. В некоторых случаях разрушение объекта может создать множество фрагментов, а не устранить угрозу. Более рациональной целью является изменение траектории таким образом, чтобы астероид не столкнулся с Землёй.
Новое моделирование показывает, что способ размещения взрыва может иметь большое значение. Для гипотетического километрового астероида и 3-мегатонного заряда расчётное изменение скорости выросло примерно с 9,2 до более чем 30 сантиметров в секунду, если перед детонацией создать полость глубиной около 30 метров.
Однако это только один элемент гораздо более сложной системы.
Необходимо сначала обнаружить опасный объект, затем успеть отправить к нему аппараты, изучить поверхность, выполнить последовательные удары и обеспечить точную доставку заряда. При этом реальные астероиды могут иметь структуру, существенно отличающуюся от использованной в моделировании модели из цельного базальта.
Поэтому главным средством защиты Земли остаётся не ядерный заряд, а время. Чем раньше человечество обнаружит опасный астероид, тем меньше энергии потребуется для изменения его курса и тем больше технических возможностей останется для предотвращения столкновения. Ядерный сценарий рассматривается как резерв для наиболее неблагоприятного случая — когда крупный объект обнаружен слишком поздно и обычного кинетического воздействия уже недостаточно.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
Китайские ученые видно ознакомились с кинематографом Голливуда 90-х годов, в именно с ,,Армагеддоном» с ролями Брюса Уиллиса и Бена Аффлека). Но технически сделать такие вещи будет тяжко, учитывая нынешний уровень технологий.