Planetoidy mają nieregularne kształty. Badacze sprawdzili, jak wpływa to na zmianę ich toru dzięki promieniowania z eksplozji jądrowej.
Wyobraźmy sobie przerażającą sytuację, iż w kierunku Ziemi zmierza ogromna planetoida, a naukowcy mają tylko jedną szansę, żeby zmienić jej kurs, bo w przeciwnym wypadku zostaniemy unicestwieni. Przygotowują więc misję z ładunkiem jądrowym, obliczają potrzebną energię i wyznaczają miejsce detonacji. Okazuje się jednak, iż o powodzeniu operacji może zdecydować coś pozornie banalnego: kształt kosmicznej skały.
Nowe symulacje pokazują, iż identyczny impuls może zmienić prędkość tej samej planetoidy choćby 5-krotnie bardziej lub mniej skutecznie, zależnie od strony, z której zostanie skierowane promieniowanie. Naukowcy przekonują, iż ten szczegół może mieć ogromne znaczenie dla przyszłości obrony planetarnej.
Chcemy ratować Ziemię. Problem w tym, iż planetoidy nie są okrągłe
W filmach katastroficznych zwykle kierunku Ziemi leci ogromna planetoida, ludzkość wysyła rakietę z ładunkiem jądrowym, a potężna eksplozja rozwiązuje problem. Rzeczywistość jest jednak znacznie bardziej skomplikowana, a najnowsze badania pokazują, iż choćby doskonałe obliczenie siły oddziaływania może nie wystarczyć.
Zespół naukowców z Sandia National Laboratories w Stanach Zjednoczonych postanowił sprawdzić, jak kształt planetoidy wpływa na możliwość zmiany jej toru dzięki promieniowania rentgenowskiego. W tym celu opracowano nowy model komputerowy, który pozwala analizować obiekty o nieregularnych powierzchniach, zamiast traktować je jak idealnie gładkie kule.
Prawdziwe planetoidy często przypominają np. ziemniaki, wydłużone głazy albo nieregularne skupiska skał. Mają zagłębienia, wystające fragmenty i powierzchnie nachylone pod różnymi kątami. Niektóre wyglądają wręcz absurdalnie, czego przykładem jest planetoida Torifune przypominająca kosmicznego bałwana. Okazuje się, iż mogą decydować o tym, jak skutecznie uda się zmienić ruch całego obiektu.
Ta sama planetoida, ta sama energia, a wynik choćby 5 razy inny
Naukowcy przeanalizowali trzy rzeczywiste planetoidy: Bennu, Itokawę i Golevkę. Każda z nich ma inny kształt, dzięki czemu mogły posłużyć do sprawdzenia, jak nieregularna powierzchnia wpływa na rozchodzenie się energii i ruch wyrzucanego materiału. W sumie przeprowadzono 168 scenariuszy komputerowych. Badacze zmieniali m.in. orientację planetoid względem źródła promieniowania oraz analizowali oddziaływanie z różnych odległości. Wyniki okazały się naprawdę zaskakujące.
W jednym z przypadków impuls promieniowania powodował zmianę prędkości planetoidy o 3,9 mm/s. Po zmianie orientacji tego samego obiektu efekt wynosił już tylko 0,8 mm/s. Oznacza to niemal 5-krotną różnicę w skuteczności, mimo iż analizowano tę samą planetoidę. W przypadku Bennu różnice sięgały niemal dwa razy, Itokawy około 4 razy, a Golevki choćby 5 razy. Co więcej, w odrębnym scenariuszu zmiana prędkości obrotowej planetoidy różniła się aż 17-krotnie.
Pamiętajmy, iż choćby niewielka zmiana prędkości może z czasem przełożyć się na ogromne przesunięcie położenia obiektu. jeżeli planetoida otrzyma odpowiedni impuls wystarczająco wcześnie, może minąć Ziemię zamiast w nią uderzyć. Jednak błędne oszacowanie efektu mogłoby sprawić, iż zmiana trajektorii okaże się niewystarczająca.
Bomba nie musi rozbijać planetoidy. Wystarczy ją popchnąć
W badaniu nie chodziło o umieszczenie głowicy we wnętrzu kosmicznej skały i rozsadzenie jej na kawałki. Naukowcy analizowali scenariusz, w którym eksplozja następuje w pewnej odległości od planetoidy, a wytworzone podczas niej promieniowanie rentgenowskie dociera do powierzchni. W przestrzeni kosmicznej nie powstaje klasyczna fala uderzeniowa rozchodząca się w powietrzu, ponieważ praktycznie go tam nie ma. Promieniowanie może natomiast bardzo gwałtownie ogrzać zewnętrzną warstwę skały i doprowadzić do odparowania części materiału.
Gwałtownie wyrzucana materia działa wówczas podobnie do gazów opuszczających silnik rakietowy. Wskutek zasady zachowania pędu pozostała część planetoidy otrzymuje impuls w przeciwnym kierunku. o ile jest on odpowiednio duży, trajektoria obiektu może ulec zmianie. Sęk jednak w tym, iż nieregularna powierzchnia nie reaguje jednakowo. Część fragmentów zostaje silnie napromieniowana, inne otrzymują mniej energii, a wystające skały mogą dodatkowo osłaniać sąsiednie obszary. W rezultacie materiał odparowuje w różnym tempie i w różnych kierunkach.
Właśnie dlatego znaczenie ma nie tylko ilość dostarczonej energii, ale również to, na którą stronę planetoidy ona pada. Niewłaściwa orientacja może znacznie osłabić efekt, a część impulsu zamiast zmieniać kierunek lotu obiektu wpłynie na jego obrót.
Nowy algorytm jest ponad 1600 razy szybszy
Żeby dokładnie przeanalizować podobne procesy, trzeba uwzględnić ogromną liczbę zjawisk zachodzących jednocześnie. Promieniowanie ogrzewa materiał, część powierzchni paruje, powstające gazy zaczynają się przemieszczać, a ciśnienie oddziałuje na pozostałą strukturę. Wszystko to odbywa się na obiekcie, który może mieć setki metrów lub kilka kilometrów średnicy. Dotychczas tak dokładne symulacje wymagały ogromnych zasobów obliczeniowych. Naukowcy musieli często wybierać pomiędzy realistycznym kształtem planetoidy a szczegółowym opisem zjawisk fizycznych.
Zespół kierowany przez Nathana Moore’a połączył natomiast dwie metody numeryczne. Pierwsza pozwala opisywać gwałtowne nagrzewanie materiału i powstawanie pary, druga skuteczniej radzi sobie z analizowaniem przepływu rozrzedzonych gazów wokół całego obiektu. W rezultacie powstał algorytm, który w porównywalnych obliczeniach działa ponad 1600 razy szybciej od wcześniejszego podejścia. Pozwala uwzględniać rzeczywiste nierówności powierzchni bez konieczności rezygnowania z dokładniejszego opisu fizyki.
Rozbicie skały może stworzyć jeszcze większy problem
Amerykańscy naukowcy nie są pierwszymi, którzy próbują ustalić, czy broń jądrowa mogłaby uratować Ziemię przed niebezpieczną planetoidą. Niedawno opisywaliśmy symulacje przeprowadzone w Lawrence Livermore National Laboratory, w których badacze analizowali możliwość rozbicia kosmicznej skały na mniejsze fragmenty.
W tamtym przypadku aż 1680 procesorów pracowało przez 59 dni, żeby odtworzyć zaledwie 145 milisekund gwałtownych procesów zachodzących po hipotetycznej eksplozji. Nowe badanie dotyczy nie tyle całkowitego zniszczenia obiektu, ile przewidywania sił działających na jego nieregularną powierzchnię. Rozbicie planetoidy nie musi oznaczać usunięcia zagrożenia. jeżeli powstałe fragmenty przez cały czas będą zmierzać w kierunku Ziemi, mogą spowodować serię uderzeń lub eksplozji w atmosferze.
Z tego powodu odchylenie całego obiektu może być korzystniejszym scenariuszem, o ile zostanie wykryty dostatecznie wcześnie. Jednak choćby nowy model nie potrafi jeszcze dokładnie przewidzieć, czy pod wpływem silnego impulsu cała planetoida pozostanie w jednym kawałku. Badacze uwzględniają w tej chwili odrywanie się materiału z powierzchni, ale pełne modelowanie rozpadu całego ciała pozostaje wyzwaniem. Nie można więc uznać, iż opracowano już kompletną, sprawdzoną metodę nuklearnej obrony Ziemi.
Najpierw musimy dokładnie zobaczyć planetoidę
Nowe wyniki ujawniają jeszcze jeden problem. Aby wybrać odpowiedni kierunek oddziaływania, trzeba znać kształt planetoidy możliwie dokładnie, najlepiej ze wszystkich stron. Tymczasem niewielki obiekt zagrażający Ziemi może zostać wykryty zbyt późno, by zdążyć wysłać do niego sondę zwiadowczą. Obserwacje teleskopowe pozwalają określić orbitę, przybliżoną wielkość i niektóre adekwatności powierzchni. Nie zawsze jednak wystarczają do odtworzenia wszystkich zagłębień oraz wystających fragmentów. A właśnie takie szczegóły mogą wpływać na skuteczność planowanej interwencji.
Właśnie dlatego tak duże znaczenie mają misje badające planetoidy z bliska. Europejska sonda Hera zbliża się w tej chwili do układu Didymos-Dimorphos, w którym NASA przeprowadziła eksperyment DART. Jej zadaniem jest dokładniejsze zbadanie skutków uderzenia oraz adekwatności obu obiektów. ESA rozważa również stworzenie sond szybkiego reagowania, która mogłaby zostać wysłana do nowo odkrytego, potencjalnie niebezpiecznego obiektu. Takie rozwiązania pomogłyby zdobywać informacje potrzebne do podejmowania decyzji o sposobie obrony.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
