Жесткие и мягкие отскоки объясняют структуру поверхности астероида

Эксперименты и компьютерное моделирование показывают, что разделение мелких и крупных камней на поверхности астероида может происходить из-за того, как частицы, ударяясь о поверхность, сталкиваются с уже присутствующими камнями.

×

Астероид Итокава, объект неправильной формы, длина которого составляет всего 540 м по самой длинной оси, имеет два различных типа поверхности: либо из мелкой гальки и пыли, либо из крупных валунов. Новое предположение предполагает, что эти два типа поверхности возникли из-за того, что частицы, сталкивающиеся с астероидом, с большей вероятностью отскакивают при столкновении с валунами, но, как правило, останавливаются при столкновении с морем гальки. Исследователи подтверждают свою идею моделированием и экспериментами с использованием бусинок, сброшенных на камни. Хотя предложенный механизм работает наиболее эффективно для меньших астероидов, он также может влиять на формирование поверхностных особенностей более крупных объектов, даже планет земной группы.

Итокава — это астероид, представляющий собой «кучу щебня», скопление каменистых обломков Солнечной системы, удерживаемых вместе собственной гравитацией. В 2005 году японский зонд «Хаябуса» сделал фотографии крупным планом, которые выявили удивительное разделение его поверхности на два типа [1]. Поверхностные понижения заполнены преимущественно материалом от сантиметровой гальки до мелкой пыли, а на более высокогорных участках встречаются валуны размером до 40 м в поперечнике.

Общепринятого объяснения этой сегрегации нет, но Трой Шинброт из Университета Рутгерса в Пискатауэй, штат Нью-Джерси, и его коллеги теперь предлагают одно из них, основанное на их моделировании и экспериментах. Они отмечают, что в Итокава есть сопоставимые объемы крупных валунов и мелкой гальки, так что количество гальки намного превышает количество валунов — в миллиард раз. Таким образом, формирование и рост Итокавы были результатом кумулятивной аккреции бесчисленных мелких частиц, перемежающихся чрезвычайно редкими ударами более крупных частиц.

Если маленькая частица, плывущая в Итокаву, сталкивается с валуном, она, как правило, отскакивает от астероида, либо вообще улетает от него, либо снова приземляется в каком-то другом месте.Но если тот же камешек упадет на площадку с камешками одинакового размера, его импульс и энергия быстро рассеются из-за множества «ударных» столкновений, и он остановится рядом с тем местом, где упал. Эта разница, по словам команды, позволяет понять, почему «моря» гальки будут неуклонно расти, заполняя низменные области, оставляя большие валуны непокрытыми в более высоких точках на поверхности астероида.

Серия лабораторных экспериментов подтвердила эти идеи. Сначала исследователи бросили стеклянные шарики диаметром 1 мм на керамическую пластину, имитирующую большой валун. Если шарики бросали по отдельности, а не сыпали потоком, они почти все отскакивали, оставляя тарелку в основном чистой. Но когда сначала на тарелку кладут небольшую кучку бисера, упавшие на нее бусинки остаются на месте, а кучка становится больше.

Затем команда уложила ложе из камней, каждый в несколько сантиметров в поперечнике, в виде холмов и долины. Они бросили стеклянные бусины на эту неровную поверхность и обнаружили, что со временем бусины заполняли нижние участки, оставляя более высокие камни открытыми. Чтобы продемонстрировать, что это не было просто результатом того, что бусины приземлялись повсюду, а затем катились вниз по склону в долину, исследователи изучили скорость, с которой долина заполнялась. Они обнаружили, что это поведение согласуется с предсказанием эмпирического уравнения столетней давности, отражающего тенденцию частиц накапливаться на существующих частицах [2]. Но результаты не соответствовали ожидаемой скорости, с которой частицы скатывались в долину после того, как останавливались в другом месте.

Наконец, команда провела компьютерное моделирование, которое позволило им отслеживать пути отскакивающих частиц и варьировать силу гравитации. Моделирование подтвердило, что частицы отскакивают от валунов, но останавливаются в море частиц; они также показали, что механизм работает при очень низкой гравитации.

Команда говорит, что этот механизм сегрегации по размеру, вероятно, будет доминирующим процессом для объектов со слабой гравитацией, которые притягивают частицы с очень небольшой скоростью, но он может оказывать влияние на гравитацию любой силы. Более крупные астероиды Веста и Эрос (около 500 и 30 км в поперечнике соответственно) имеют плоские участки, по-видимому, состоящие из мелких частиц, которые могли расти таким же образом. Тела с более сильной гравитацией, напротив, будут испытывать столкновения на более высокой скорости, которые могут выбрасывать потоки обломков и сдвигать или даже разрушать валуны.

Джонатан Коллмер из Университета штата Северная Каролина в Роли описывает работу как элегантную и хвалит ее за привнесение концепций физики гранулированных материалов в обсуждение астрофизики. Поскольку эксперименты команды ясно демонстрируют, что процесс разделения по размерам работает в условиях земной гравитации, он предполагает, что это может быть важно при формировании структур на более крупных телах, возможно, даже на Марсе.

Это исследование опубликовано в Письма о физическом обзоре.

Дэвид Линдли — независимый научный писатель из Александрии, штат Вирджиния.

использованная литература

1. Х. Яно и другие., «Приземление космического корабля «Хаябуса» в море Муз на острове Итокава», Наука 312, 1350 (2006).
2. Хилл А.В. Возможные эффекты агрегации молекул гемоглобина на кривые его диссоциации // J. Physiol. 40, IV (1910).

Сортировка по размеру на астероиде Итокава

Трой Шинброт, Тапан Сабувала, Тео Сиу, Мигель Вивар Лазо и Пинаки Чакраборти

Опубликовано 17 марта 2017 г.