Введение

Совсем недавно учёные сделали важное открытие, которое может изменить наше понимание о структуре астероидов. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что форма и размер частиц, из которых состоят астероиды, могут предсказывать их прочность. В частности, поверхность астероида Бенну оказалась в 50 раз слабее, чем молотый кофе.

Уникальная структура астероидов

Миссии в космосе, такие как OSIRIS-REx, подтвердили, что многие небольшие астероиды, такие как Бенну, Рюгу и Итакуа, представляют собой не сплошные скалы, а гранулярные тела: рыхлые скопления пыли, камней и валунов, удерживаемые вместе своей гравитацией и слабыми связующими силами.

Исследование прочности астероидов

Исследователи изучали, как эти тела удерживаются вместе более десяти лет. Однако предыдущие модели могли учитывать только идеальные сферические частицы, в то время как реальные частицы имеют угловатую и неправильную форму. Новое исследование разработало универсальную масштабируемую модель, которая позволяет учитывать реальные формы частиц в симуляциях.

Вдохновение от капель воды

Первый автор исследования, Пол Санчес, старший научный сотрудник в Университете Колорадо в Боулдере, отметил: «Идея была предложена доктором Майклом Р. Суифтом из Университета Ноттингем, который был моим научным руководителем во время аспирантуры. Мы начали исследовать влияние мелких связанных частиц на астероиды, но моделирование всех необходимых частиц было (и остаётся) невозможным. Поэтому мы решили вдохновиться жидкими мостами, которые образуются между мелкими частицами песка на Земле.»

Изучение эффекта гравитации

Санчес объясняет, что малые астероиды (менее 150 метров в диаметре) могут вращаться с периодом менее 2.4 часов, в то время как для более крупных астероидов существует предел вращения, известный как «барьер вращения груды камней». Этот барьер возникает из-за само-гравитации астероидов. Если груда камней вращается слишком быстро, она разлетается, и для тела, удерживаемого только гравитацией, этот предел не зависит от размера.

Влияние когезии

При уменьшении размера астероида само-гравитация ослабевает, тогда как связующие силы между частицами сохраняются. В 2010 году Санчес и его команда предложили, что силы Ван дер Ваальса между мелкими частицами могли бы обеспечить необходимую прочность. Эти частицы образуют реголит астероида — рыхлую пыль и камни, покрывающие его поверхность.

Моделирование гранулярных мостов

Вместо того чтобы моделировать весь астероид, исследователи создали небольшую его часть. Они заполнили матрицу когезионных частиц, которые связывают более крупные фрагменты, между двумя валунами диаметром по метру. Оттягивая валуны, пока мост не сломается, учёные получили измерение прочности на разрыв.

Результаты симуляций

Команда провела 78 таких симуляций с использованием метода контактной динамики. В некоторых симуляциях частицы были идеальными сферами, в других — полиэдрами с различными формами. Размеры частиц варьировались от 2 до 5 сантиметров, как в однородных, так и в смешанных партиях.

Симуляции показали, что прочность зависела от двух факторов: размера частиц и степени отклонения от сферической формы. Меньшие частицы создавали более прочные мосты, так как большее количество частиц могло занять одно и то же пространство, увеличивая количество точек контакта, которые удерживали астероид вместе.

Заключение

Таким образом, новое исследование открывает новые горизонты для понимания структуры и прочности астероидов. Понимание этих процессов может иметь важные последствия для будущих космических исследований и защиты нашей планеты от потенциально опасных объектов.