|
Форма и размер частиц определяют прочность астероидов
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные разработали универсальную систему масштабирования прочности гранулированных астероидов, показав, что их прочность на разрыв можно предсказать по размеру и форме составляющих их частиц.
|
|
|
|
Космические миссии показали, что многие малые астероиды, такие как Бенну, Рюгу и Итокава, представляют собой не цельные каменные глыбы, а гранулированные астероиды: слабо связанные скопления пыли, камней и булыжников, удерживаемые вместе за счёт собственной гравитации и слабых сил сцепления.
|
|
|
|
Учёные изучают, за счёт чего эти тела сохраняют свою целостность, уже более десяти лет. Однако в предыдущих симуляциях мелкие частицы рассматривались только как идеальные сферы, в то время как реальные частицы имеют угловатую форму и неправильную структуру. В новом исследовании был найден способ включить в симуляции частицы реалистичной формы.
|
|
|
|
Phys.org поговорил с первым автором исследования Полом Санчесом, старшим научным сотрудником Колорадского университета в Боулдере. «Первоначальная идея была предложена доктором Майклом Р. Свифтом (Ноттингемский университет, Великобритания), который был моим научным руководителем и приехал в Боулдер с визитом», — рассказал Санчес.
|
|
|
|
|
|
|
«Нам нужно было выяснить, какое влияние на астероид могут оказывать мелкие частицы, связанные между собой, но смоделировать все необходимые частицы было (и остается) невозможно. Поэтому мы решили взять за основу принцип образования жидких мостиков, которые вода на Земле создает между мельчайшими песчинками».
|
|
|
|
«Было замечено, что небольшие астероиды [диаметром менее 150 метров (490 футов)] могут вращаться с периодом обращения менее 2,4 часа, в то время как для более крупных астероидов это предельное значение является непреодолимым барьером (так называемый барьер скорости вращения астероидов). Этот барьер обусловлен действием силы тяжести, под действием которой астероид стремится сохранить свою целостность», — сказал Санчес.
|
|
|
|
Астероид, вращающийся с достаточно высокой скоростью, развалится на части, и для тела, удерживаемого вместе только за счет силы тяжести, этот предел не зависит от размера. Более крупные астероиды его соблюдают, что само по себе свидетельствует о том, что они представляют собой скопление обломков, а не цельную скалу.
|
|
|
|
Астероиды меньшего размера — нет. Сила тяжести быстро ослабевает по мере уменьшения размеров тела, в то время как силы сцепления между частицами — нет. При меньших размерах сила сцепления может стать доминирующей силой, удерживающей астероид в целости. Однако сила сцепления не заменяет силу тяжести, а дополняет ее.
|
|
|
|
В 2010 году Санчес и его коллеги предположили, что эту прочность могут обеспечивать силы Ван-дер-Ваальса между мелкими частицами. Эти частицы составляют реголит астероида — рыхлую пыль и камни, покрывающие его поверхность.
|
|
|
|
В 2014 году команда проверила эту гипотезу на сферических частицах и пришла к выводу, что мелкие частицы могут служить своеобразным слабым связующим веществом между более крупными глыбами.
|
|
|
|
Но двух факторов по-прежнему не хватало. Моделирование не позволяло учитывать реалистичную форму частиц. Кроме того, приходилось предполагать, а не измерять свойства материала, от которых зависели эти расчёты, например силу сцепления между частицами.
|
|
|
|
Ситуация изменилась, когда в 2023 году в рамках миссии OSIRIS-REx НАСА доставило на Землю образцы с астероида Бенну, что позволило впервые измерить эти свойства.
|
|
Мосты из мелких частиц
|
|
|
|
Вместо того чтобы моделировать целый астероид, исследователи смоделировали его небольшой фрагмент. Они поместили матрицу из сцепленных частиц — мелкозернистого материала, который скрепляет более крупные куски, как цемент в бетоне, — между двумя глыбами диаметром метр (3,3 фута), сформировав таким образом мост. Разрывая глыбы на части до тех пор, пока мост не разрушится, можно измерить прочность на разрыв.
|
|
|
|
Команда провела 78 таких симуляций с использованием метода контактной динамики, реализованного в коде с открытым исходным кодом LMGC90.
|
|
|
|
В некоторых симуляциях частицы были идеально круглыми. В других — многогранными, вытянутыми или сплющенными до 10 различных форм — от почти круглых до сильно вытянутых. Размеры частиц варьировались от 2 до 5 сантиметров (от 0,8 до 2 дюймов) как в однородных, так и в смешанных наборах. Форма частиц измерялась с помощью показателя сферичности.
|
|
|
|
«Сферичность — это просто показатель того, насколько форма частицы близка к сферической», — говорит Санчес.
|
|
|
|
Были учтены обе силы, которые удерживают настоящий астероид в целости: ван-дер-ваальсово притяжение в виде постоянной силы, действующей в точках соприкосновения двух частиц, и гравитация, рассчитываемая непосредственно между каждой частицей.
|
|
|
|
Затем частицы раздвигались под действием силы, которая медленно увеличивалась с небольшими шагами. Напряжение в «мостике» нарастало, достигало максимума, а затем резко падало до нуля, когда «мостик» разрушался. Это пиковое значение и есть предел прочности на разрыв.
|
|
Размер, форма частиц и поверхность Бенну
|
|
|
|
Симуляции показали, что прочность зависит от двух факторов: размера частиц и степени отклонения их формы от сферической. Чем меньше были частицы, тем прочнее получался «мостик». Если уменьшить размер частиц, в то же пространство поместится больше, а значит, будет больше точек соприкосновения, которые скрепляют материал.
|
|
|
|
Форма тоже имеет значение. Две сферы соприкасаются в одной точке, а две угловатые частицы могут соприкасаться по ребру или по всей грани.
|
|
|
|
«Форма частиц важна, потому что несферические частицы могут иметь несколько точек соприкосновения, а также могут быть очень плотно упакованы, что увеличивает количество точек соприкосновения и снижает пористость (пустоты между частицами)», — объясняет Санчес.
|
|
|
|
Эти два эффекта могут компенсировать друг друга, поэтому мостик из крупных угловатых частиц может быть таким же прочным, как мостик из мелких округлых частиц. Именно это делает модель универсальной: для прогнозирования прочности достаточно одного из двух параметров — размера или сферичности.
|
|
|
|
Применительно к поверхности Бенну, с учетом сил сцепления, измеренных по возвращенным образцам, модель показала, что прочность поверхности составляет менее 1 Па, что соответствует независимым оценкам, полученным с помощью дистанционного зондирования и непосредственно при взятии образцов.
|
|
|
|
«Если сформовать из свежемолотого кофе небольшой цилиндр, его прочность составит около 50 Па, и в нем все равно можно будет проделать отверстие пальцем. Поверхность Бенну в 50 раз менее прочная», — говорит Санчес.
|
|
|
|
Причина в недостатке мелкодисперсной пыли.
|
|
|
|
«Если мелких частиц недостаточно, чтобы заполнить пустоты между более крупными частицами, то и когезионных контактов, которые укрепляют структуру астероида, недостаточно», — пояснил он.
|
|
Дальнейшие исследования
|
|
|
|
Почти все, что известно об астероидах, основано на изучении их видимой поверхности. Их прочность различна и проявляется только при внешнем воздействии.
|
|
|
|
«Представьте, что у вас есть коробка с галькой и пылью. Вы можете наклонить коробку и посмотреть, под каким углом частицы внутри начнут скатываться вниз (это и будет разрушительным воздействием), но как узнать этот угол, не наклоняя коробку?» — задается вопросом Санчес.
|
|
|
|
Эта неопределенность важна для планетарной защиты, поскольку расстояние, на которое сместится астероид после столкновения, зависит от свойств, которые приходится предполагать. NASA проверило это в 2022 году, когда его космический аппарат DART столкнулся с астероидом Диморф.
|
|
|
|
«Наша теория связана с размером частиц, их гранулометрическим составом и пористостью. Она может дать первоначальное представление о прочности астероидов на растяжение и сжатие. Это основные параметры материалов для кодов, которые моделируют столкновения с астероидами — единственный проверенный метод отклонения астероидов от курса», — пояснил Санчес.
|
|
|
|
В дальнейшем команда планирует расширить модель, включив в нее более широкий диапазон размеров частиц и внутренние слои астероидов — те части, которые еще не исследовала ни одна миссия.
|
|
|
|
Источник
|
