Разработана инновационная вычислительная модель, предназначенная для определения прочности астероидов на основе анализа размера и конфигурации составляющих их элементов. Благодаря данному методу было установлено, что поверхность астероида Бенну характеризуется прочностью, не превышающей 1 паскаль – это примерно в 50 раз меньше, чем у свежемолотого кофе.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, даётся объяснение структуры «гравийных» или рыхлых астероидов — объектов, состоящих не из монолитной породы, а из совокупности пыли, камней и крупных фрагментов, скреплённых слабой гравитацией и силами межчастичного взаимодействия.

К данной категории относятся астероиды Бенну, Рюгу и Итокава. Данные, полученные в ходе космических миссий, свидетельствуют о том, что их поверхность напоминает неплотно утрамбованную кучу обломков, а не твёрдую породу.

На протяжении длительного времени учёные стремятся выяснить, какие факторы обеспечивают сцепление подобных небесных тел. Однако предыдущие компьютерные симуляции имели существенный недостаток: частицы в расчётах обычно представлялись в виде идеальных сфер, в то время как реальные зёрна астероидного материала обладают нерегулярной формой, острыми краями и различной степенью вытянутости.

Специалисты предприняли попытку разработки более правдоподобной модели, принимающей во внимание истинную геометрию составляющих её элементов. В ходе исследований было установлено влияние формы и габаритов отдельных частиц на общую прочность структуры.

Основным препятствием стало то, что даже обладающие высокой вычислительной мощностью компьютеры не способны выполнить моделирование всего астероида. В связи с этим специалисты создали упрощенную модель фрагмента поверхности: между двумя крупными блоками, приблизительно достигающими метра в размере, был расположен слой мелких частиц, выполняющий функцию своеобразного связующего вещества.

После этого исследователи постепенно наращивали воздействие, стремясь разрушить данную конструкцию. Предел прочности материала определялся как максимальная нагрузка, предшествующая её распаду.

В общей сложности команда провела 80 компьютерных симуляций. В некоторых моделях частицы имели форму идеальных сфер, а в других – представляли собой многогранники различной конфигурации, от близких к округлым до сильно вытянутых. Диаметр частиц варьировался от 2 до 5 сантиметров.

При проведении расчетов было принято во внимание два ключевых фактора, обеспечивающих сцепление астероидного вещества: незначительные силы взаимного притяжения между отдельными частицами, известные как силы Ван-дер-Ваальса, и собственная гравитация составляющих элементов модели.

Полученные данные указывают на то, что прочность материала астероида в первую очередь зависит от двух характеристик – размера частиц и степени их отклонения от сферической формы.

Небольшие частицы обеспечивают большее количество точек соприкосновения, что приводит к усилению структуры. Тем не менее, форма также оказывает существенное влияние: угловатые частицы могут взаимодействовать друг с другом не только в одной точке, как это происходит со сферами, но и по граням или ребрам, тем самым увеличивая количество связей внутри материала.

Вместе с тем, эти два фактора способны уравновешивать друг друга. К примеру, слой крупных угловатых частиц может обладать такой же прочностью, как и слой более мелких округлых зерен.

Благодаря этому стало возможным разработать универсальную модель: для определения прочности требуется лишь информация о размере частиц или их форме, близкой к сфере.

Применение разработанной исследователями модели к астероиду Бенну, основанное на данных о силах сцепления, полученных из образцов, доставленных в 2023 году миссией NASA OSIRIS-REx, выявило, что прочность его поверхности составляет менее одного паскаля.

В качестве примера можно привести свежемолотый кофе, который обладает прочностью приблизительно в 50 паскалей. По мнению учёных, поверхность Бенну оказалась примерно в 50 раз слабее – даже незначительное давление пальца способно разрушить небольшой слой подобного вещества.

Основной причиной такой низкой прочности является дефицит мелкой пыли. Недостаточное количество маленьких частиц между крупными обломками приводит к снижению количества контактов и, как следствие, к уменьшению устойчивости структуры.

Результаты исследования имеют значение как для изучения внутренней структуры астероидов, так и для обеспечения планетарной безопасности. Для коррекции траектории небесного тела, представляющего угрозу, необходимо обладать информацией о его механических характеристиках. Реакция объекта на воздействие космического аппарата напрямую зависит от прочности материала, из которого он состоит.

В 2022 году специалисты NASA провели испытания подобной методики в рамках миссии DART, когда автоматический зонд столкнулся с астероидом Диморф. Тем не менее, для точного воспроизведения подобных сценариев требуется знание параметров внутреннего строения астероидов, которые на данный момент остаются недостаточно изученными.

Предлагаемая модель может послужить фундаментом для более детальных расчётов столкновений и определения наиболее эффективных методов отклонения астероидов от траекторий, представляющих потенциальную опасность.

В перспективе исследователи намерены расширить возможности модели, охватывая более широкий диапазон размеров частиц и применяя её к внутренним слоям астероидов, изучение которых пока не проводилось напрямую.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.