Hvordan videnskabsmænd kigger ind i asteroider

Asteroider kan udgøre en trussel mod livet på Jorden, men er også en værdifuld kilde til ressourcer til at lave brændstof eller vand for at hjælpe med udforskning af det dybe rum. Uden geologiske og atmosfæriske processer, disse rumklipper giver et vindue til solsystemets udvikling. Men for virkelig at forstå deres hemmeligheder, videnskabsmænd skal vide, hvad der er inde i dem.

Kun fire rumfartøjer er nogensinde landet på en asteroide - senest i oktober 2020 - men ingen har kigget ind i en. Alligevel er forståelsen af ​​de indre strukturer af disse kosmiske klipper afgørende for at besvare nøglespørgsmål om, for eksempel, oprindelsen af ​​vores egen planet.

"Asteroider er de eneste objekter i vores solsystem, der er mere eller mindre uændrede siden begyndelsen af ​​solsystemets dannelse, " sagde Dr. Fabio Ferrari, der studerer asteroide dynamik ved universitetet i Bern, Schweiz. "Hvis vi ved, hvad der er inde i asteroider, vi kan forstå meget om, hvordan planeter blev dannet, hvordan alt, hvad vi har i vores solsystem, er dannet og kan udvikle sig i fremtiden."

Så er der også mere praktiske grunde til at vide, hvad der er inde i en asteroide, såsom minedrift efter materialer for at lette menneskelig udforskning af andre himmellegemer, men også forsvar mod en jordbundet sten.

NASAs kommende Double Asteroid Redirection Test (DART) mission, forventes lanceret senere i år, vil styrte ind i den 160 m i diameter asteroidemåne Dimorphos i 2022, med det formål at ændre dens kredsløb. Forsøget vil for første gang vise, om mennesker kan afbøje en potentielt farlig asteroide.

Men forskere har kun grove ideer om, hvordan Dimorphos vil reagere på påvirkningen, da de ved meget lidt om både denne asteroidemåne, og dens moderasteroide, Didymos.

For bedre at kunne besvare sådanne spørgsmål, videnskabsmænd undersøger, hvordan man på afstand kan fortælle, hvad der er inde i en asteroide og skelne dens type.

Typer

Der er mange typer af asteroider. Nogle er solide stenblokke, robust og robust, andre er konglomerater af småsten, kampesten og sand, produkter af mange orbitale kollisioner, kun holdes sammen af ​​tyngdekraften. Der er også sjældne metalliske asteroider, tung og tæt.

"For at afbøje de tættere monolitiske asteroider, du ville have brug for et større rumfartøj, du skulle rejse hurtigere, " sagde Dr. Hannah Susorney, en forsker i planetarisk videnskab ved University of Bristol, England. "Asteroiderne, der bare er poser med materiale - vi kalder dem murbrokker - kan, på den anden side, sprænges i tusindvis af stykker. Disse stykker kan i sig selv blive farlige."

Dr. Susorney undersøger, hvilke overfladetræk ved en asteroide kan afsløre om strukturen af ​​dens indre som en del af et projekt kaldet EROS.

Disse oplysninger kan være nyttige for fremtidige rumminevirksomheder, som gerne vil vide så meget som muligt om en lovende asteroide, før de investerer i en kostbar efterforskningsmission samt vide mere om potentielle trusler.

"Der er tusindvis af jordnære asteroider, dem, hvis baner en dag kunne krydse jordens, " sagde hun. "Vi har kun besøgt en håndfuld af dem. Vi ved næsten ingenting om langt de fleste.«

Topografi

Dr. Susorney forsøger at skabe detaljerede topografiske modeller af to af de mest velundersøgte asteroider - Itokawa (målet for den japanske Hayabusa 1-mission i 2005) og Eros (kortlagt i detaljer af NEAR Shoemaker-rumsonden i slutningen af ​​1990'erne).

"Overfladetopografien kan faktisk fortælle os meget, " sagde Dr. Susorney. "Hvis du har en murbrokker asteroide, såsom Itokawa, som i bund og grund kun er en pose fnug, du kan ikke forvente meget stejle skråninger der. Sand kan ikke holdes op i en uendelig skråning, medmindre det er understøttet. En solid klippedåse. De stenede monolitiske asteroider, såsom Eros, har tendens til at have meget mere udtalte topografiske træk, meget dybere og stejlere kratere."

Susorney ønsker at tage de højopløselige modeller afledt af rumfartøjsdata og finde parametre i dem, som derefter kunne bruges i de meget lavere opløsning af asteroideformmodeller skabt ud fra jordbaserede radarobservationer.

"Forskellen i opløsningen er ret væsentlig, " indrømmer hun. "Ti til hundreder af meter i højopløselige rumfartøjsmodeller og kilometer fra jordbaserede radarmålinger. Men vi har fundet ud af, for eksempel, hældningsfordelingen giver os et hint. Hvor meget af asteroiden er flad, og hvor meget er stejl?"

Dr. Ferrari arbejder sammen med holdet, der forbereder DART-missionen. Som en del af et projekt kaldet GRAINS, han udviklede et værktøj, der muliggør modellering af det indre af Dimorphos, effektmålet, samt andre murbrokker-asteroider.

"Vi forventer, at Dimorphos er en murbrokker, fordi vi tror, ​​at den er dannet af stof, der er udstødt af hovedasteroiden, Didymos, når den drejede meget hurtigt, " sagde Dr. Ferrari. "Denne udslyngede stof blev derefter samlet igen og dannede månen. Men vi har ingen observationer af dets indre."

Uddannet luftfartsingeniør, Dr. Ferrari lånte en løsning på asteroideproblemet fra ingeniørverdenen, fra en disciplin kaldet granulær dynamik.

"På jorden, denne teknik kan bruges til at studere problemer såsom sandpæling eller forskellige industrielle processer, der involverer små partikler, " Dr. Ferrari sagde. "Det er et numerisk værktøj, der giver os mulighed for at modellere interaktionen mellem de forskellige partikler (komponenter) - i vores tilfælde, de forskellige kampesten og småsten inde i asteroiden."

Murbrokker bunke

Forskerne modellerer forskellige former og størrelser, forskellige sammensætninger af sten og småsten, gravitationsinteraktionerne og friktionen mellem dem. De kan køre tusindvis af sådanne simuleringer og derefter sammenligne dem med overfladedata om kendte asteroider for at forstå murbrokker-asteroiders adfærd og sammensætning.

"Vi kan se på den ydre form, studere forskellige funktioner på overfladen, og sammenligne det med vores simuleringer, " sagde Dr. Ferrari. "F.eks. nogle asteroider har en fremtrædende ækvatorial bule, " han siger, henviser til den fortykkelse omkring ækvator, der kan opstå som følge af, at asteroiden snurrer.

I simuleringerne bulen kan forekomme mere fremtrædende for nogle indre strukturer end andre.

For første gang, Dr. Ferrari tilføjede, værktøjet kan arbejde med ikke-sfæriske elementer, hvilket forbedrer nøjagtigheden betydeligt.

"Sfærer opfører sig meget anderledes end kantede genstande, " han sagde.

Modellen antyder, at i tilfælde af Dimorphos, DART-nedslaget vil skabe et krater og kaste en masse materiale op fra asteroidens overflade. Men der er stadig mange spørgsmål, især størrelsen af ​​krateret, ifølge Dr. Ferrari.

"Krateret kan være så lille som ti meter, men også så bredt som hundrede meter, optager halvdelen af ​​asteroidens størrelse. Vi ved det ikke rigtig, " sagde Dr. Ferrari. "Rustbunker er vanskelige. Fordi de er så løse, de kan lige så godt bare absorbere påvirkningen."

Lige meget hvad der sker på Dimorphos, eksperimentet vil give en skatkammer af data til at forfine fremtidige simuleringer og modeller. Vi kan se, om asteroiden opfører sig, som vi forventede, og lære, hvordan man laver mere præcise forudsigelser for fremtidige missioner, som lever på Jorden meget vel kan afhænge af.