Przejdź do treści

Bomby atomowe mogą ocalić Ziemię przed kosmiczną katastrofą

symulacja rozerwania planetoidy

Kiedy naukowcy planują obronę przed planetoidą, która jest na kursie kolizyjnym z Ziemią, zazwyczaj chcą oni doprowadzić do zmiany orbity tego niewielkiego ciała tak, by minęło ono naszą planetę. Jednocześnie chcą, aby pozostało w jednym kawałku. Jeśli jednak czas do zderzenia jest zbyt krótki i nie można przeprowadzić operacji odchylania, pozostaje opcja rozbicia planetoidy na wiele dobrze rozproszonych fragmentów.

Kosmiczne eksplozje są tym, co często mają na myśli ludzie, gdy wyobrażają sobie obronę planetarną. I choć naukowcy woleliby mieć więcej czasu na działanie, muszą być przygotowani na każdy możliwy scenariusz, ponieważ wiele planetoid znajdujących się w pobliżu Ziemi pozostaje nieodkrytych.

Modyfikacja orbit planetoid znajdujących się na kursie kolizyjnym z Ziemią może być niemożliwa bez ryzyka rozbicia planetoidy na fragmenty. Sęk w tym, że takie rozbicie jest znacznie trudniejszym scenariuszem obrony planetarnej w porównaniu z tym, w którym planetoida jest odchylana od swojej pierwotnej orbity. Wymaga ono uwzględnienia reakcji planetoidy na wstrząsy oraz zmierzenia się ze znacznie bardziej skomplikowaną dynamiką grawitacyjną jej odłamków.

Obliczenia hydrodynamiczne pozwalają badać jak różne orbity planetoid i różne rozkłady prędkości fragmentów rozbitej planetoidy wpływają na ich trajektorie. Niedawno przeprowadzone symulacje dotyczyły eksplozji ładunku nuklearnego o mocy 1 megatony, umieszczonego w odległości kilku metrów nad powierzchnią planetoidy w kształcie Bennu i średnicy 100 metrów (1/5 skali Bennu, asteroidy bliskiej Ziemi odkrytej w 1999 roku).

Porównanie rozmiarów Bennu

Na ilustracji: Porównanie rozmiarów planetoidy Bennu i obiektów ziemskich. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.

Wyniki tych badań są uspokajające, potwierdzając, że eksplozje nuklearne są skuteczne w walce z planetoidami. Dla wszystkich pięciu rozważanych orbit, rozbicie planetoidy na fragmenty zaledwie dwa miesiące przed datą uderzenia w Ziemię było w stanie zmniejszyć ułamek masy uderzenia o współczynnik 1000 lub więcej (czyli 99,9% masy planetoidy ominęłoby Ziemię).

W przypadku większej asteroidy, rozbicie byłoby mniej skuteczne, ale nawet wtedy 99% jej masy minęłoby Ziemię, o ile doszłoby do niego co najmniej sześć miesięcy przed datą uderzenia.

To bardzo ważny wynik, zwłaszcza w kontekście „późnych” rozbić, w których planetoida jest rozrywana na krótko przed uderzeniem w Ziemię.

Co innego, gdy mamy dużo czasu na reakcję. Jeśli rozpatrujemy dziesięcioletnie skale czasowe, na ogół preferowanym rozwiązaniem jest używanie impaktorów kinetycznych do odchylania toru lotu uderzającego ciała.

Impaktor kinetyczny to duża sonda kosmiczna, której celem jest uderzenie w planetoidę z ogromną prędkością względną, wystarczającą do zmiany orbity obiektu o średnicy nieprzekraczającej jednego kilometra. Impaktory kinetyczne mają wiele zalet. Po pierwsze, technika ta jest dobrze znana i testowana w rzeczywistych misjach, takich jak misja DART. Jest ona skuteczna w radzeniu sobie z szerokim zakresem możliwych zagrożeń, jeśli mamy do dyspozycji wystarczająco dużo czasu. Ma jednak pewne ograniczenia, dlatego ważne jest, aby w przypadku rzeczywistej sytuacji awaryjnej dostępnych było wiele opcji, w tym kilka sposobów, które mogą zadziałać w krótkim czasie.

W sytuacji, w której zauważylibyśmy niebezpieczny obiekt mający uderzyć w Ziemię w zbyt bliskiej przyszłości, aby bezpiecznie zmienić tor jego lotu, najlepszą opcją byłoby rozbicie go tak dokładnie, że powstałe fragmenty w dużej mierze ominęłyby Ziemię. Jednak modelowanie orbit wytworzonych w ten sposób odłamków jest skomplikowane. Jeśli rozbije się planetoidę na kawałki, powstała chmura fragmentów będzie podążać własną ścieżką wokół Słońca i oddziała grawitacyjnie ze sobą i planetami. Ta chmura będzie miała tendencję do rozciągania się w zakrzywiony strumień wzdłuż pierwotnej ścieżki, na której znajdowała się planetoida. Jak szybko te kawałki się rozprzestrzenią (w połączeniu z tym, kiedy chmura przetnie tor Ziemi) mówi nam, ile z nich uderzy w Ziemię.

Do badania tego zagadnienia służy oprogramowanie o nazwie Spheral, które zostało użyte do modelowania rozerwania planetoidy skalistej przy użyciu ładunku jądrowego oraz do modelowania trajektorii powstałych fragmentów. Spheral jest w stanie śledzić wzajemne oddziaływanie grawitacyjne chmury fragmentów, a także wpływ grawitacyjny Słońca i planet. Poniższy film przedstawia symulację hydrostatyczną wykonaną za pomocą tego programu, która pokazuje rezultat eksplozji ładunku nuklearnego o mocy 1 megatony umieszczonego w odległości kilku metrów nad powierzchnią planetoidy w kształcie Bennu i średnicy 100 metrów.

Modelowanie rozbić planetoid jest nieustannie udoskonalane, tak by uwzględnić nowoczesne narzędzia badawcze i proponować działania skuteczne w wielu reżimach fizycznych i skalach czasowych.


Więcej informacji:

  • Publikacja „Late-time small body disruptions for planetary defense”, King i in., Acta Astronautica, DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.07.034 
  • Strona internetowa narzędzia Spheral, które służy do modelowania numerycznego, ze szczególnym uwzględnieniem hydrodynamiki, wytrzymałości i modelowania uszkodzeń
  • Strona internetowa misji DART
     

Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz


Na ilustracji: Symulacja hydrostatyczna pokazujaca skutek detonacji bomby atomowej o mocy 1 megatony w odległości kilku metrów od asteroidy o średnicy 100 metrów (w kształcie Bennu). Kolory oznaczają prędkości w jednostkach odpowiadających 10 km/s. Źródło: Lawrence Livermore National Laboratory LLNL

Reklama