Ett stort team ryska forskare från Rosatom, tillsammans med tre MIPT -fysiker, har modellerat effekterna av en kärnkraftsexplosion på en jordfarlig asteroid. De tillverkade miniatyrasteroider och sprängde dem med laser. Modelleringstekniken som utvecklats i denna studie är ett sätt att experimentellt utvärdera kriterier för förstörelse av asteroider, såsom den explosionsenergi som behövs för att eliminera ett farligt föremål på kollisionskurs med jorden. Den engelska översättningen av tidningen som rapporterar resultaten kommer att visas i det kommande numret av Journal of Experimental and Theoretical Physics .

Asteroider är himlakroppar som består av kol, kisel, metall, och ibland is. Forskare brukar klassificera objekt större än 1 meter som asteroider, även om denna nedre gräns är omtvistad. I andra änden av skalan, asteroider blir hela 900 kilometer breda. Reser i 20 kilometer per sekund, sådana jättar utgör ett hot om att utplåna allt liv på jorden.

Det finns två grundläggande alternativ när det gäller att skydda planeten från en kollision med en asteroid:Den måste antingen avböjas eller blåses i bitar, varav de flesta kommer att sakna jorden helt eller brinna upp i atmosfären. Författarna till tidningen undersökte det andra alternativet genom att modellera effekterna av en kraftig chockvåg som släpptes av en kärnvapenexplosion på asteroidytan. Forskargruppen visade att en kort laserpuls som syftar till en miniatyrreplik av en asteroid ger destruktiva effekter som liknar dem av en kärnkraftsexplosion på en verklig rymdsten. Fördelningarna av värme och tryck som förutspåddes för den verkliga händelsen överensstämde i allmänhet de som mättes i det nedskalade experimentet.

För noggrannhet, forskarna såg till att de småskaliga asteroiderna har, inklusive densitet, styvhet och form, härmade den riktiga saken, och kontrollerade chockvågstrycket. Således, forskarna hade ett sätt att direkt beräkna den erforderliga energin för en kärnkraftsexplosion på själva asteroiden från energin från en laserpuls som förstör miniatyrreplikan. För att eliminera en 200 meter stor asteroid, till exempel, bomben behöver leverera energiekvivalenten 3 megaton TNT. Teamet drog denna slutsats med en laserpuls på 500 joule för att förstöra en modell med en diameter på åtta till tio millimeter. För jämförelsens skull, den mest kraftfulla explosiva som någonsin detonerats - Tsar Bomba, eller "bombens kung, "byggd av Sovjetunionen 1961 - hade en energieffekt på cirka 58,6 megaton, även om konton varierar.

Forskargruppen kom med en teknik för tillverkning av artificiellt asteroidmaterial. Dess sammansättning motsvarar den för kondrit (steniga) meteoriter, som står för cirka 90 procent av asteroiden som återstår att nå jordens yta. Egenskaperna hos modell asteroiden, inklusive dess kemiska sammansättning, densitet, porositet och styvhet, justerades under tillverkningen. Replikerna gjordes med hjälp av data om kondritmeteoriten som återfanns från botten av sjön Chebarkul. Det är det största fragmentet av asteroiden som kom in i jordens atmosfär i februari 2013, exploderar över Chelyabinsk Oblast, Ryssland. Asteroidmaterialet tillverkades med en kombination av sedimentation, kompression, och värme, imiterar den naturliga bildningsprocessen. Av cylinderformade prover, imiterade asteroider av olika former gjordes, bland dem sfäriska, ellipsoid, och kubiska.

För att bekräfta att deras lasermodellering passar med verkligheten, forskarna gjorde också kompressibla flödesberäkningar. De visade att en lab -asteroide 14 till 15 storleksordningar mindre massiva än dess rymdprototyp kräver nästan dubbelt så mycket energi per massenhet för att helt störas.

Experimenten använde tre laserenheter:Iskra-5, Luch, och Saturnus. Laserstrålen förstärktes först till en förutbestämd effekt och riktades sedan mot asteroidkopian fixerad i en vakuumkammare. Modellförstöring övervakades både bakifrån och från sidan, och fragmenteringsdynamik registrerades. Laser påverkade modell asteroider under 0,5-30 nanosekunder.

För att uppskatta kriterierna för förstörelse av asteroider, forskarna analyserade tillgängliga data från Chelyabinsk -meteoriten. Den kom in i jordens atmosfär som en 20 meter stor asteroid och sprack i små fragment som inte orsakade några katastrofala skador. Det är därför vettigt att säga att en 200 meter stor asteroid skulle elimineras om den bryts upp i bitar med en diameter som är 10 gånger mindre och en massa 1, 000 gånger mindre än den jordfarliga berget själv. Av uppenbara skäl, denna slutsats gäller bara för en 200 meter stor asteroid som kommer in i atmosfären i en liknande vinkel och för fragment som reser längs banor som liknar Chelyabinsk meteor.

Forskarna var också intresserade av om explosionseffekten är kumulativ - det vill säga kan en kraftig explosion ersättas av en rad mindre? De fann att flera svagare laserpulser inte ger någon signifikant fördel jämfört med en enda puls som kombinerar deras effekt när det gäller det allmänna förstörelseskriteriet. Detta gäller för samtidiga såväl som på varandra följande pulser.

I några av experimenten, lasern var riktad mot en hålighet gjord i miniatyr -asteroiderna i förväg. Genom att utnyttja hålrummet, forskarna använde mindre energi - nämligen 500 istället för 650 joule per gram. Liknande, effekten av en nedgrävd kärnbomb väntas bli mer uttalad.

Beräkningar som står för skalningseffekterna tyder på att det krävs en tre megaton bomb för att eliminera en jordhotande icke-metallisk asteroid som mäter 200 meter i diameter. Forskargruppen planerar nu att utöka studien genom att experimentera med asteroidkopior av olika sammansättning, inklusive de som innehåller järn, nickel, och is. De avser också att mer exakt identifiera hur formen på asteroiden och närvaron av håligheter på dess yta påverkar det allmänna förstörelsekriteriet.

"Genom att ackumulera koefficienter och beroenden för asteroider av olika typer, vi möjliggör snabb modellering av explosionen så att förstörelseskriterierna kan beräknas snabbt. Just nu, det finns inga asteroidhot, så vårt team har tid att perfekta denna teknik för användning senare för att förhindra en planetarisk katastrof, "säger studieförfattaren Vladimir Yufa, docent vid institutionerna för tillämpad fysik och lasersystem och strukturerade material, MIPT. "Vi undersöker också möjligheten att avleda en asteroid utan att förstöra den och hoppas på internationellt engagemang."