Российские физики взорвали лазером «угрожающий Земле» астероид

Большая группа российских исследователей из «Росатома», к которым присоединились физики МФТИ, смоделировала воздействие ядерного взрыва на «угрожающий Земле» астероид.

Они изготовили миниатюрные астероиды и взорвали их лазером. Методика моделирования, разработанная в этом исследовании, представляет собой способ экспериментальной оценки критериев разрушения астероидов, таких как энергия взрыва, необходимая для устранения опасного объекта при его курсе на столкновение с Землей.

Астероиды — небесные тела, состоящие из углерода, кремния, металла, а иногда и льда. Ученые обычно классифицируют объекты размером более 1 метра как астероиды, хотя этот нижний предел оспаривается. На другом конце шкалы астероиды достигают 900 км. Путешествуя со скоростью 20 километров в секунду, такие гиганты создают угрозу уничтожить всю жизнь на Земле.

Есть два основных варианта, когда речь заходит о защите планеты от столкновения с астероидом: ее либо нужно отклонять, либо взорвать на куски, большинство из которых сгорят в атмосфере. Авторы статьи исследовали второй вариант, моделируя эффекты мощной ударной волны, выпущенной ядерным взрывом на поверхности астероида. Исследовательская группа показала, что короткий лазерный импульс, направленный на миниатюрную реплику астероида, вызывает разрушительные эффекты, подобные тем, которые вызовет ядерный взрыв на реальном космическом камне. Распределения тепла и давления, предсказанные для реального события, в целом соответствовали измерениям, полученным в эксперименте.

Для того чтобы лазерная модель была точной, исследователи убедились в том, что плотность и жесткость мелкомасштабного астероида — и даже его формы — имитируют реальное положение вещей и контролируют давление ударной волны. Благодаря этому точному соответствию исследователи имели возможность непосредственно вычислить требуемую энергию ядерного взрыва на фактическом астероиде из энергии лазерного импульса, разрушающего его миниатюрную реплику. Так, например, для устранения 200-метрового астероида, бомба должна доставить энергетический эквивалент 3 мегатонн тротила. Это было рассчитано после того, как команда измерила, что для уничтожения модели диаметром 8-10 миллиметров потребовался 500-джоулевой лазерный импульс. Для сравнения, самая мощная взрывчатка, когда-либо взорвавшаяся – «Царь Бомба», созданная Советским Союзом в 1961 году, имела выходную мощность около 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте.

Исследовательская группа придумала технологию изготовления искусственного материала астероида. Его состав соответствует составу хондритовых (каменистых) метеоритов, на которые приходится около 90 процентов остатков астероидов, достигающих поверхности Земли. Свойства модели астероида, включая его химический состав, плотность, пористость и жесткость, были скорректированы во время изготовления. Реплики были сделаны с использованием данных о хондритах, извлеченных со дна озера Чебаркуль. Это самый большой фрагмент астероида, который вошел в атмосферу Земли в феврале 2013 года, взорвался над Челябинской областью, России. Материал астероида был изготовлен с использованием комбинации осаждения, сжатия и нагрева, имитируя процесс естественного образования. Из цилиндрических образцов были изготовлены имитационные астероиды различной формы, среди которых сферические, эллипсоидальные и кубические.

Чтобы подтвердить, что их лазерное моделирование соответствует реальности, исследователи также провели сжимаемые расчеты потока. Они показали, что лабораторный астероид на 14-15 порядков меньше, чем его космический прототип, требует почти в два раза больше энергии на единицу массы, чтобы полностью разрушиться.

В эксперименте использовались три лазерных устройства: «Искра-5», «Луч» и «Сатурн». Лазерный луч сначала усиливался до заданной мощности, а затем направлялся на реплику астероида, закрепленную в вакуумной камере. Мониторинг модели показал разрушения как сзади, так и со стороны, и динамика фрагментации была зарегистрирована. Лазер уничтожил модели астероидов за 0,5-30 наносекунд.

Для оценки критериев разрушения астероидов исследователи проанализировали данные, полученные от наблюдений челябинского метеорита. Он вошел в атмосферу Земли как 20-метровый астероид и разбился на мелкие фрагменты, которые не нанесли катастрофического ущерба. Поэтому имеет смысл заявить, что 200-метровый астероид будет ликвидирован, если удастся его разбить на куски диаметром 20 метров и массой в 1000 раз меньше, чем сама угрожающая Земле скала. По очевидным причинам этот вывод справедлив только для 200-метрового астероида, попадающего в атмосферу под похожим углом, и для фрагментов, перемещающихся по траекториям, подобным тем, что представляет собой челябинский метеорит.

Исследователей также интересовало, является ли эффект от взрыва кумулятивным, т. е. Можно ли заменить один мощный взрыв последовательностью меньших? Они обнаружили, что несколько более слабых лазерных импульсов не дают значительного преимущества по сравнению с одним импульсом, объединяющим их мощность в терминах общего критерия разрушения. Это справедливо для одновременных, а также последовательных импульсов.

В некоторых экспериментах лазер был нацелен на полость, сделанную в миниатюрных астероидах ранее. Используя полость, исследователи потратили меньше энергии, а именно 500 вместо 650 джоулей на грамм. Аналогичным образом ожидается, что эффект похожей ядерной бомбы будет более выраженным.

Источники: https://eurekalert.org/pub_releases/2018-03/miop-rpm031318.php