Fysikere sprænger model -asteroider med en laser

Et stort team af russiske forskere fra Rosatom, sammen med tre MIPT -fysikere, har modelleret virkningen af ​​en atomeksplosion på en jordfarlig asteroide. De fremstillede miniatureasteroider og sprængte dem med en laser. Den modelleringsteknik, der er udviklet i denne undersøgelse, er en måde til eksperimentelt at evaluere kriterier for ødelæggelse af asteroider såsom den eksplosionsenergi, der er nødvendig for at fjerne et farligt objekt på et kollisionskurs med Jorden. Den engelske oversættelse af papiret, der rapporterer resultaterne, vises i det kommende nummer af Journal of Experimental and Theoretical Physics .

Asteroider er himmellegemer bestående af kulstof, silicium, metal, og nogle gange is. Forskere klassificerer normalt objekter større end 1 meter som asteroider, selvom denne nedre grænse er omstridt. I den anden ende af skalaen, asteroider bliver hele 900 kilometer på tværs. Kører med 20 kilometer i sekundet, sådanne giganter udgør en trussel om at udslette alt liv på Jorden.

Der er to grundlæggende muligheder, når det kommer til at beskytte planeten mod et sammenstød med en asteroide:Den skal enten afbøjes eller blæses i stykker, hvoraf de fleste vil savne Jorden helt eller brænde op i atmosfæren. Forfatterne til papiret udforskede den anden mulighed ved at modellere virkningerne af en kraftig chokbølge frigivet ved en atomeksplosion på asteroideoverfladen. Forskergruppen viste, at en kort laserpuls rettet mod en miniaturekopi af en asteroide frembringer ødelæggende virkninger svarende til en atomeksplosion på en egentlig rumsten. Fordelingerne af varme og tryk forudsagt for den virkelige begivenhed matchede generelt dem, der blev målt i det nedskalerede eksperiment.

For nøjagtighed, forskerne sørgede for, at de små asteroider har funktioner, herunder densitet, stivhed og form, efterlignede den ægte vare, og kontrollerede chokbølgetrykket. Dermed, forskerne havde en måde at direkte beregne den nødvendige energi til en atomeksplosion på den faktiske asteroide fra energien fra en laserpuls, der ødelægger miniaturekopien. For at fjerne en 200-meter asteroide, for eksempel, bomben skal levere energiækvivalenten til 3 megaton TNT. Holdet trak denne konklusion ved at bruge en laserpuls på 500 joule til at ødelægge en model på otte til 10 millimeter i diameter. For sammenligningens skyld, det mest kraftfulde sprængstof, der nogensinde har detoneret - tsar Bomba, eller "bombernes konge, "bygget af Sovjetunionen i 1961 - havde en energiproduktion på omkring 58,6 megaton, selvom konti varierer.

Forskergruppen kom med en teknologi til fremstilling af kunstigt asteroidemateriale. Dens sammensætning svarer til den for chondrit (stenede) meteoritter, som tegner sig for omkring 90 procent af asteroiden forbliver på overfladen af ​​Jorden. Model asteroide egenskaber, herunder dens kemiske sammensætning, massefylde, porøsitet og stivhed, blev justeret under fremstillingen. Replikerne blev foretaget ved hjælp af dataene om chondritmeteoritten, der blev genvundet fra bunden af ​​Chebarkul -søen. Det er det største fragment af asteroiden, der kom ind i Jordens atmosfære i februar 2013, eksploderer over Chelyabinsk Oblast, Rusland. Asteroidematerialet blev fremstillet ved hjælp af en kombination af sedimentering, kompression, og varme, efterligner den naturlige dannelsesproces. Ud af cylinderformede prøver, imiterede asteroider af forskellige former blev lavet, blandt dem sfæriske, ellipsoide, og kubiske.

For at bekræfte, at deres lasermodellering passer til virkeligheden, forskerne lavede også komprimerbare flowberegninger. De viste, at en lab -asteroide 14 til 15 størrelsesordener mindre massiv end dens rumprototype kræver næsten dobbelt så meget energi pr. Masseenhed for at blive fuldstændig forstyrret.

Eksperimenterne gjorde brug af tre laserenheder:Iskra-5, Luch, og Saturn. Laserstrålen blev først forstærket til en forudbestemt effekt og derefter rettet mod asteroide -replikaen fikseret i et vakuumkammer. Modelødelæggelse blev overvåget både bagfra og fra siden, og fragmenteringsdynamik blev registreret. Laseren påvirkede model-asteroider i 0,5-30 nanosekunder.

For at estimere kriterier for ødelæggelse af asteroider, forskerne analyserede de tilgængelige data fra Chelyabinsk -meteoritten. Den kom ind i Jordens atmosfære som en 20 meter lang asteroide og sprækkede i små fragmenter, der ikke forårsagede katastrofale skader. Det er derfor fornuftigt at sige, at en 200-meter asteroide ville blive elimineret, hvis den blev brudt i stykker med en diameter 10 gange mindre og en masse 1, 000 gange mindre end selve den jordfarlige sten. Af indlysende årsager, denne konklusion gælder kun for en 200 meter stor asteroide, der kommer ind i atmosfæren i en lignende vinkel og for fragmenter, der bevæger sig langs baner, der ligner Chelyabinsk-meteorens.

Forskerne var også interesserede i, om eksplosionseffekten er kumulativ - det vil sige kan en kraftig eksplosion erstattes af en række mindre? De fandt ud af, at flere svagere laserpulser ikke giver nogen væsentlig fordel i forhold til en enkelt puls, der kombinerer deres effekt med hensyn til det generelle ødelæggelseskriterium. Dette gælder for samtidige såvel som på hinanden følgende impulser.

I nogle af eksperimenterne laseren var målrettet mod et hulrum fremstillet i miniatureasteroiderne på forhånd. Ved at udnytte hulrummet, forskerne brugte mindre energi - nemlig 500 i stedet for 650 joule pr. Gram. Tilsvarende effekten af ​​en begravet atombombe forventes at være mere udtalt.

Beregninger, der tegner sig for skaleringseffekterne, indikerer, at det tager en tre megaton bombe at fjerne en jordfarlig ikke-metallisk asteroide, der måler 200 meter på tværs. Forskergruppen planlægger nu at udvide undersøgelsen ved at eksperimentere med asteroide -replikaer af forskellig sammensætning, herunder dem, der indeholder jern, nikkel, og is. De har også til hensigt at identificere mere præcist, hvordan asteroidens form og tilstedeværelsen af ​​hulrum på dens overflade påvirker det generelle ødelæggelseskriterium.

"Ved at akkumulere koefficienter og afhængigheder for asteroider af forskellige typer, vi muliggør hurtig modellering af eksplosionen, så ødelæggelseskriterierne hurtigt kan beregnes. I øjeblikket, der er ingen asteroide trusler, så vores team har tid til at perfektionere denne teknik til senere brug for at forhindre en planetarisk katastrofe, "siger studieforfatter Vladimir Yufa, lektor ved afdelingerne for anvendt fysik og lasersystemer og strukturerede materialer, MIPT. "Vi undersøger også muligheden for at aflede en asteroide uden at ødelægge den og håber på internationalt engagement."