Jak można zmienić trajektorię niebezpiecznej asteroidy?
Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) opracowali modele komputerowe, aby zbadać, czy detonacja ładunku jądrowego mogłaby zmienić tor lotu asteroidy zagrażającej naszej planecie albo rozbić ją na mniejsze fragmenty. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „The Planetary Science Journal”.
Badacze wykorzystali program Spheral, opracowany w LLNL, do przeanalizowania reakcji asteroidy na wybuch ładunku jądrowego w jej pobliżu. Promieniowanie rentgenowskie powstałe podczas eksplozji doprowadziłoby do gwałtownego nagrzania materiału obiektu i odparowania jego części. W pierwszej kolejności naukowcy sprawdzili zgodność wyników obliczeń z przewidywaniami sprawdzonych modeli opisujących zmianę trajektorii asteroid. Później zastosowali Spheral do zbadania trzech wariantów rozbicia takiego obiektu.
W przypadku zagrożenia ze strony asteroidy istnieją potencjalne sposoby zapobieżenia jej zderzeniu z Ziemią, pod warunkiem że zostanie wykryta odpowiednio wcześnie. Jednym z nich jest zmodyfikowanie jej toru lotu. Nawet niewielka zmiana prędkości może sprawić, że obiekt ominie naszą planetę, zachowując zasadniczo swoją strukturę. Można również podjąć próbę rozdrobnienia asteroidy i rozproszenia powstałych odłamków, tak aby żaden z nich nie stanowił poważnego niebezpieczeństwa.
Pierwszą z tych metod NASA sprawdziła w 2022 roku podczas misji Double Asteroid Redirection Test (DART). Statek kosmiczny uderzył wówczas celowo w księżyc planetoidy Dimorphos, zmieniając jego ruch. Wykorzystanie ładunku jądrowego mogłoby być innym rozwiązaniem w sytuacji zagrożenia, szczególnie gdyby chodziło o większy obiekt lub czas na podjęcie działania był krótki. Eksplozja mogłaby przekazać asteroidzie znacznie więcej energii niż zderzenie ze statkiem kosmicznym.
Co modele komputerowe mówią o rozbijaniu asteroid za pomocą energii jądrowej?
W dwóch spośród przeprowadzonych symulacji doszło do rozpadu badanego obiektu. Wyniki wskazują, że szczegółowe modele trójwymiarowe mogą pomóc w przewidywaniu zachowania asteroid poddanych działaniu ładunku jądrowego.
W celu sprawdzenia wiarygodności zastosowanej metody badacze wykonali ponad 1500 symulacji jednowymiarowych za pomocą programu Spheral. Następnie zestawili otrzymane rezultaty z obliczeniami dotyczącymi zmiany toru lotu asteroid, przeprowadzonymi w innym programie, noszącym nazwę Ares.
Rezultaty uzyskane przy użyciu obu narzędzi były bardzo podobne. Dzięki temu naukowcy mogli wykorzystać Spheral do przeprowadzenia bardziej skomplikowanych symulacji rozpadu asteroidy. Jak wskazali, program ten szczególnie dobrze sprawdza się przy modelowaniu uszkodzeń, pękania skał oraz dzielenia się materiału na fragmenty.
Jakie skutki detonacji zaobserwowano w obliczeniach?
W dalszej części badania naukowcy przeanalizowali trzy scenariusze oddziaływania eksplozji na asteroidę o nieregularnym kształcie i średnicy wynoszącej około 160 metrów. W poszczególnych wariantach zmieniali odległość hipotetycznego wybuchu od powierzchni obiektu oraz przyjmowane założenia dotyczące wytrzymałości tworzącego go materiału.
Podczas najdłuższej symulacji uszkodzeniu uległo około 98 proc. asteroidy, a jej struktura została poważnie osłabiona. Z obliczeń wynikało również, że mniej więcej 97 proc. materii uzyskało prędkość pozwalającą jej wydostać się spod wpływu grawitacji obiektu. Większość materiału przemieszczała się w przeciwnych kierunkach, co wskazywało na postępujący rozpad asteroidy.
Istotnym czynnikiem okazał się również sposób rozchodzenia się energii po powierzchni obiektu. W jednym z analizowanych wariantów detonacja przeprowadzona w większej odległości dostarczyła asteroidzie mniej energii, ale doprowadziła do uszkodzeń obejmujących większy obszar. Stało się tak, ponieważ energia została rozprowadzona bardziej równomiernie.
Nie można jednak na tej podstawie stwierdzić, że większa odległość wybuchu zawsze zapewniałaby lepsze rezultaty. Wybór odpowiedniego rozwiązania zależałby między innymi od wielkości, kształtu i składu asteroidy, a także od przyjętego celu. Inaczej należałoby oceniać działanie mające zmienić jej trajektorię, a inaczej próbę całkowitego rozbicia obiektu.
Dlaczego wyniki nie przesądzają o skuteczności obrony jądrowej?
Badanie pokazało również, jak trudne jest komputerowe odwzorowanie wszystkich etapów rozpadu asteroidy. Najdłuższe obliczenia trwały 59 dni i wymagały zaangażowania 1680 procesorów. Mimo wykorzystania tak dużych zasobów udało się zasymulować jedynie 145 milisekund rzeczywistego przebiegu zjawiska.
Ustalenie rozmiarów powstałych odłamków oraz sposobu ich przemieszczania się wymaga prześledzenia ich ruchu w znacznie dłuższej perspektywie. Aby można było uznać próbę rozbicia asteroidy za skuteczną, należałoby wykazać, że żaden z fragmentów nie ma średnicy większej niż około 10 metrów, a odłamki oddalają się od siebie, zamiast ponownie łączyć się w większy obiekt.
Przeprowadzone symulacje nie obejmowały jednak wystarczająco długiego okresu, aby potwierdzić spełnienie tych warunków. W dwóch przypadkach skala uszkodzeń oraz kierunki ruchu materii wyraźnie wskazywały mimo to, że proces rozpadu asteroidy prawdopodobnie już się rozpoczął.
Mariusz Drzewiecki
