Столкновение с DART могло изменить форму астероида

Космический корабль ЕКА "Гера" готовится к путешествию к далекому спутнику-астероиду Диморфу, вращающемуся вокруг своего родительского тела Дидима. Прежде всего миссия займется поиском кратера, оставленного аппаратом DART. Свежее исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, говорит, что поиски могут не увенчаться успехом. Созданная учеными модель позволяет предположить, что никакого кратера может и не быть, а после удара изменилось все тело астероида.
26 сентября 2022 года космический корабль DART массой около полутонны врезался в усеянный валунами Диморф на скорости 6,1 км/с. Этот первый эксперимент по отклонению астероида с помощью кинетического удара оказался успешным: наблюдения с Земли показывают, что орбита Диморфа сократилась примерно на 33 минуты.
При этом исследователи до сих пор не знают, как объект в целом отреагировал на удар космического корабля и какой была общая эффективность передачи импульса. Расчет последнего значения, бета-фактора, требует точного знания массы астероида, которая будет измерена "Герой".
Также необходимо точно знать, как повел себя материал, выброшенный в космос в результате столкновения. Касательно этого, на данный момент уже появились любопытные данные. Речь идет, в том числе, про изображения, полученные находившимся недалеко итальянским LICIACube, который в течение пяти минут и 20 секунд после попадания DART снимал место удара. Кроме того событие фиксировали космические телескопы Джеймс Уэбб и Хаббл, а также наземные обсерватории. Все имеющиеся сегодня данные демонстрируют гигантский шлейф обломков, который простирался более чем на 10 000 километров и сохранялся в течение нескольких месяцев.
Чтобы поближе рассмотреть Диморф после удара, ученым придется дождаться прибытия космического корабля ЕКА "Гера". Аппарат, который должен быть запущен в октябре этого года, прибудет к Диморфу в конце 2026 года. С помощью большого количества инструментов на его борту и миниатюрных "кубсатов", ученые смогут оценить состав, структуру и массу астероида и определить, как он преобразился в результате столкновения.
Симуляция удара
Тем временем международная исследовательская группа получила предварительное представление о влиянии миссии DART, смоделировав столкновение с помощью метода гидродинамики сглаженных частиц (SPH). Эта система, разрабатывавшаяся в Бернском университете в течение двух десятилетий, предназначена для воспроизведения разрушения каменных тел при столкновении.
SPH работает путем преобразования сталкивающихся тел в миллионы частиц, поведение которых при столкновении определяется взаимодействием различных реконфигурируемых переменных, таких как гравитация астероида, плотность или прочность материала. Верность этого метода была подтверждена лабораторными экспериментами. Кроме того он использовался для воспроизведения одного из существующих испытаний на столкновение с астероидом – когда японский космический корабль Хаябуса-2 ударил небольшим медным элементом по астероиду Рюгу в 2019 году.
"Метод работает в кластере высокопроизводительных вычислений здесь, в университете, — объясняет Сабина Радукан из Института космических исследований и планетологии Физического института Бернского университета, руководитель команды ученых и сопредседатель рабочей группы Hera Impact Physics. — Это трудоемкий процесс: на выполнение каждой симуляции уходит около полутора недель, а всего мы провели около 250 симуляций, воспроизводя первые два часа после удара. Мы включили все известные нам значения, такие как масса космического корабля DART, приблизительная форма астероида, отклонение орбиты и размер ударного шлейфа, изменяя при этом неизвестные нам факторы, такие как близость валунов, их плотность, пористость материала и его общее сцепление. Мы также сделали некоторые разумные предположения, основанные на физических свойствах метеоритов, напоминающих Диморф".
По словам ученой, полученные результаты модерлирования сравнивали с наблюдаемой реальностью. Оказалось, что Диморф представляет собой относительно хлипкий астероид, по-сути — куча обломков, удерживаемая чрезвычайно слабой гравитацией, а не силой сцепления. Это помогло объяснить неожиданно высокую эффективность орбитального отклонения DART.
"Образование кратеров обычно завершается либо силой притяжения, либо самим материалом, из которого образуется кратер, — добавляет Мартин Ютци из Бернского университета, также являющийся сопредседателем рабочей группы. — На Земле сила гравитации такова, что этот процесс происходит за короткое время, образуя типичный угол конуса кратеров около 90 градусов. То, что мы увидели при столкновении Диморфа с DART, было гораздо более широким углом конуса выброса, простирающимся до 160 градусов. Главным образом под влиянием изогнутой формы поверхности астероида. И кратер продолжал расширяться, потому что гравитация и сцепление материала очень низки".
Радукан добавляет: "Вероятно кратер разросся и охватил все тело, так что Диморф в конечном итоге полностью изменил форму. Как следствие, "Гера", вероятно, не сможет найти ни одного кратера, оставленного DART. Вместо этого аппарат обнаружит совсем другое тело. Наши симуляции показывают, что первоначальная форма Диморфа была притуплена со стороны удара. Если представить, что Диморф изначально напоминал конфетки M&M's, то теперь он будет выглядеть так, как будто от него откусили кусочек!"
Происхождение астероида
Это изменение также будет иметь последствия для орбиты астероида вокруг его родителя Дидима. Чтобы помочь интерпретировать результаты моделирования изменения формы, команда использовала стереоскопические изображения, подготовленные гитаристом группы Queen и астрофизиком, сэром Брайаном Мэем и его соавтором Клаудией Манцони.
Это продолжительное образование кратеров значительно повысило эффективность отклонения. По оценкам команды, в результате удара DART в космос было выброшено около 1% всей массы Диморфа. Это произошло во многом из-за его низкой скорости убегания, составляющей всего 10 см/с. Около 8% массы астероида переместилось внутри самого тела объекта.
И если Диморф представляет собой груду обломков, висящую на орбите скорее как гроздь винограда, а не сплошной монолит, то это открытие также имеет важные последствия с точки зрения понимания его происхождения. Новые данные усиливают гипотезу о том, что он образовался в результате "раскрутки" родительского объекта, выбросившего в космос экваториальный материал, который позже слился воедино под действием гравитации.
"Общая картина Диморфа, как почти несвязанного тела, сформированного в основном слабой силой гравитации, похоже, согласуется с нашими наблюдениями за другими астероидами, — отмечает Патрик Мишель, директор по исследованиям CNRS в Обсерватории де Лазурный Берег в Ницце и главный исследователь миссии "Гера". — Рюгу, который посетил "Хаябуса-2", и Бенну, который посетил космический корабль НАСА OSIRIS-REx, представляют собой богатые углеродом астероиды "C-класса", сильно отличающиеся от богатых силикатами Дидима и Диморфа, принадлежащих к "S-классу". Но все они кажется обладают сопоставимым отсутствием целостности. Нам все еще нужно понять и прояснить это поведение, потому что мы не можем собрать статистику только по трем астероидам. Тем не менее общее для всех малых астероидов отсутствие целостности является интригующим предположением и будет хорошей новостью для планетарной обороны. Если мы будем знать заранее, как тело отреагирует, это облегчит разработку соответствующих инструментов отклонения!"
Редактор: Илья Дочар
Источник: Европейское космическое агентство