Czy bombą atomową można rozbić planetoidę? Już wiadomo

Co zrobić, kiedy w kierunku Ziemi zmierza ogromna planetoida, a czasu na zmianę jej kursu jest zbyt mało? Jednym z rozważanych rozwiązań pozostaje użycie ładunku jądrowego. Naukowcy z amerykańskiego Lawrence Livermore National Laboratory postanowili sprawdzić, czy potężna eksplozja rzeczywiście może rozbić kosmiczną skałę, zamiast tylko nieznacznie zmienić jej tor lotu.

Wyniki są naprawdę bardzo obiecujące. W najbardziej zaawansowanej symulacji aż 98 proc. materiału planetoidy doznało poważnych uszkodzeń, a 97 proc. zaczęło poruszać się z prędkością wystarczającą do pokonania jej grawitacji. Niestety nawet 59 dni pracy superkomputera nie wystarczyło, żeby zobaczyć, co ostatecznie stanie się z rozbitą skałą.

Przedmiotem badań była hipotetyczna planetoida o średnicy około 160 m. To rozmiar porównywalny z Dimorphosem, w którego NASA celowo uderzyła sondą DART we wrześniu 2022 r. Wówczas celem było jedynie niewielkie zmodyfikowanie orbity obiektu. Eksperyment zakończył się sukcesem, a nowsze analizy wykazały, że uderzenie DART-a wpłynęło nawet na ruch całego układu Didymos-Dimorphos wokół Słońca.

Takie rozwiązanie może jednak nie wystarczyć, jeśli groźny obiekt zostanie wykryty zbyt późno. Gdy do przewidywanego zderzenia pozostaje niewiele czasu, to nawet stosunkowo duża zmiana prędkości może nie pozwolić planetoidzie ominąć Ziemi. Dlatego badacze analizują również scenariusz znacznie bardziej radykalny, a mianowicie rozbicie obiektu na fragmenty, które rozproszą się w przestrzeni, zanim dotrą do naszej planety.

Nie chodzi jednak o spektakularne wysadzenie bomby we wnętrzu planetoidy, jak w filmie Armageddon. Amerykański zespół modelował oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z eksplozji jądrowej przeprowadzonej w pobliżu powierzchni kosmicznej skały.

W przestrzeni kosmicznej wybuch jądrowy działa inaczej, niż w ziemskiej atmosferze. Nie powstaje typowa fala uderzeniowa przenoszona przez otaczające powietrze, ponieważ w próżni praktycznie go nie ma. Znaczna część oddziaływania na odległy obiekt wynika z promieniowania. Kiedy dociera ono do powierzchni planetoidy, może gwałtownie ogrzać jej zewnętrzną warstwę i doprowadzić do odparowania części materiału.

Wyrzucana materia wytwarza przy tym siłę działającą na pozostałą część skały. Efekt przypomina niewielki silnik rakietowy i może zmienić prędkość całego obiektu. Jeśli oddziaływanie jest odpowiednio silne, prowadzi również do powstawania pęknięć i niszczenia struktury planetoidy.

Jakiś czas temu opisywaliśmy podobną koncepcję rozwijaną przez chińskich naukowców. Tam proponowano jednak umieszczenie ładunku głęboko pod powierzchnią, co miałoby zwiększyć skuteczność przekazywania energii. Amerykańskie badanie dotyczy zupełnie innego scenariusza. Naukowcy chcieli odtworzyć nie tylko ogólną zmianę ruchu planetoidy, lecz także szczegółowy proces powstawania uszkodzeń w jej wnętrzu.

Zespół kierowany przez Isaiaha Santistevana podczas swojej pracy wykorzystał program Spheral, służący do symulowania zachowania materiałów poddawanych ekstremalnym oddziaływaniom. Zanim rozpoczęto jednak właściwe obliczenia, badacze wykonali ponad 1500 prostszych symulacji jednowymiarowych. Porównali je z wynikami sprawdzonego wcześniej programu Ares, żeby upewnić się, że nowe narzędzie prawidłowo odtwarza podstawowe procesy fizyczne.

Dopiero później przygotowali trzy scenariusze trójwymiarowe. Uwzględnili nieregularny kształt planetoidy, różne właściwości materiału oraz odmienne warunki hipotetycznej eksplozji. W badaniu opublikowanym na łamach The Planetary Science Journal wykazano, że w dwóch wariantach doszło do bardzo rozległych uszkodzeń, wskazujących na postępujący rozpad obiektu.

W najdłużej analizowanym przypadku 98 proc. materiału utraciło znaczną część swojej wytrzymałości. Jednocześnie 97 proc. poruszało się szybciej, niż wynosi prędkość potrzebna do wydostania się spod grawitacyjnego wpływu planetoidy. Jest to bardzo istotne, ponieważ sama obecność pęknięć nie oznacza jeszcze zniszczenia obiektu. Fragmenty mogą pozostać blisko siebie i ponownie połączyć się pod wpływem wzajemnego przyciągania.

Największe wrażenie robi chyba sama skala obliczeń. W najbardziej wymagającej symulacji wykorzystywano 1680 procesorów, które pracowały przez 59 dni. W tym czasie udało się odtworzyć zaledwie 145 milisekund, czyli mniej niż 1/6 sekundy zdarzeń zachodzących na planetoidzie.

To wystarczyło jednak, żeby zaobserwować gwałtowny wzrost temperatury, uszkodzenia materiału i początkowy ruch rozpadających się fragmentów. Nie pozwoliło jednak prześledzić ich dalszych losów, a właśnie od nich zależałoby powodzenie całej operacji. Naukowcy muszą sprawdzić, czy po eksplozji nie pozostaną duże fragmenty, które nadal będą zagrażały Ziemi.

W przyjętym przez badaczy kryterium skutecznego rozbicia żaden z pozostałych kawałków nie powinien mieć więcej niż około 10 m średnicy. Konieczne jest też potwierdzenie, że odłamki rzeczywiście oddalają się od siebie, zamiast ponownie tworzyć większe skupiska. Obecne wyniki jeszcze tego nie dowodzą. Pokazują jedynie, że w pierwszym ułamku sekundy planetoida zaczyna zachowywać się tak, jak można oczekiwać podczas jej rozpadu.

Symulacje przyniosły również inną bardzo interesującą obserwację. W jednym z analizowanych przypadków mniejsza ilość energii przekazana planetoidzie doprowadziła do bardziej rozległych uszkodzeń materiału. Znaczenie miało tutaj przestrzenne rozmieszczenie oddziaływania. Energia obejmowała większą część powierzchni, przez co uszkodzenia rozwijały się w inny sposób niż przy bardziej skoncentrowanym oddziaływaniu.

Nie oznacza to jednak dowodów na istnienie jednej optymalnej metody niszczenia planetoid. Wszystko zależy od ich budowy, wielkości i wytrzymałości. Ogromne znaczenie ma również to, czy celem misji byłoby rozbicie skały, czy wyłącznie zmiana jej orbity.

O problemie wytrzymałości materii kosmicznej pisaliśmy już przy okazji eksperymentów prowadzonych w CERN. Badacze sprawdzali tam zachowanie próbek meteorytów pod wpływem niezwykle intensywnego promieniowania. Nie każda planetoida jest bowiem jednolitą bryłą. Część stanowi zbiorowisko głazów i drobniejszych fragmentów, utrzymywanych razem głównie przez grawitację. Właśnie takie obiekty będą jednym z celów kolejnych symulacji.

Co stałoby się z fragmentami po eksplozji? Nawet skutecznie rozbita planetoida nie przestałaby przecież automatycznie stanowić zagrożenia. Jeśli jej odłamki nadal zmierzałyby w kierunku Ziemi, to mogłyby wywołać serię uderzeń albo eksplozji w atmosferze. Z tego powodu wcześniejsze wykrywanie niebezpiecznych obiektów nadal jest znacznie korzystniejsze niż próby niszczenia ich w ostatniej chwili.

Europejska Agencja Kosmiczna już teraz rozwija koncepcję szybkich sond zwiadowczych, które pozwoliłyby sprawdzić budowę nadlatującej planetoidy, zanim zostanie podjęta decyzja o sposobie jej zatrzymania.

Przeczytaj także:

Podobne znaczenie mają eksperymenty pozwalające dokładniej określić, jak energia przenosi się wewnątrz kosmicznych skał. Chińscy naukowcy porównywali już różne sposoby dostarczania ładunków jądrowych do planetoid, ale nowe amerykańskie obliczenia pokazują, jak wiele niewiadomych pozostaje przy samym procesie rozpadu. Zespół Santistevana zamierza teraz zwiększyć wydajność symulacji, poprawić ich rozdzielczość i porównać rezultaty z eksperymentami laboratoryjnymi.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI