Прыгающая космическая пыль может повлиять на то, как выглядят и двигаются астероиды

Согласно новому исследованию физиков из Калифорнийского университета в Боулдере, подобно кукурузным зернам, лопающимся на сковороде, крошечные пылинки могут прыгать по поверхности астероидов.

Этот эффект попкорна может даже помочь привести в порядок более мелкие астероиды, заставляя их терять пыль и выглядеть грубыми и скалистыми из космоса.

Замедленное видео «электростатического поднятия» пыли в вакуумной камере в лаборатории Института моделирования плазмы, атмосферы и космической пыли LASP (IMPACT) в кампусе Калифорнийского университета в Боулдере. (Источник: лаборатория ИМПАКТ)

Исследователи опубликовали свои результаты 11 июля в журнале Астрономия природы. Их результаты могут помочь ученым лучше понять, как астероиды меняют форму с течением времени и как эти тела мигрируют в космосе, иногда приближая их к Земле на опасное расстояние, сказал Сян-Вэнь (Шон) Сюй, один из ведущих авторов исследования.

«Чем больше мелкозернистого материала или реголита теряют эти астероиды, тем быстрее они мигрируют», — сказал Сюй, научный сотрудник Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP) в Калифорнийском университете в Боулдере.

Исследование началось с нескольких любопытных фотографий.

В 2020 году космический корабль НАСА под названием OSIRIS-REx преодолел более 1 миллиарда миль, чтобы встретиться с астероидом (191055) Бенну, высота которого примерно равна Эмпайр-стейт-билдинг. Но когда прибыл космический корабль, ученые не обнаружили того, что ожидали: поверхность астероида выглядела как шероховатая наждачная бумага, а не гладкая и пыльная, как предсказывали исследователи. Были даже валуны размером с грузовики, разбросанные по его внешней стороне.

Теперь Хсу и его коллеги использовали компьютерное моделирование или модели и лабораторные эксперименты, чтобы решить эту загадку. Он сказал, что силы, подобные статическому электричеству, могут выбрасывать мельчайшие пылинки, некоторые из которых не больше одной бактерии, с астероида в космос, оставляя позади только более крупные камни.

Бенну не одинок, говорит соавтор исследования Михай Хораньи.

«Мы понимаем, что та же самая физика происходит на других безвоздушных телах, таких как Луна и даже кольца Сатурна», — сказал Хораньи, исследователь из LASP и профессор физики в Калифорнийском университете в Боулдере.

Художественное изображение поверхности астероида, меняющейся с течением времени, когда пыль выбрасывается в космос посредством «электростатического подъема». (Кредит: Ханна Аребалос)

Бенну и Рюгу

Астероиды могут выглядеть так, как будто они застыли во времени, но эти тела эволюционируют на протяжении всей своей жизни.

Хсу объяснил, что такие астероиды, как Бенну, постоянно вращаются, в результате чего их поверхность подвергается воздействию солнечного света, затем тени и снова солнечного света. Этот бесконечный цикл нагрева и охлаждения оказывает давление на самые большие камни на поверхности, пока они не неизбежно треснут.

«Это происходит каждый день, все время», — сказал Сюй. «Вы заканчиваете тем, что разрушаете большой кусок скалы на более мелкие кусочки».

Покадровое изображение пылинок, подвергающихся «электростатическому подъему» в вакуумной камере. (Источник: лаборатория ИМПАКТ)

Камни на поверхности астероида Рюгу, снятые японским космическим аппаратом Хаябуса-2. (Кредит: ДЖАКСА)

Относительно гладкая поверхность большого астероида Эрос. (Фото: Лаборатория реактивного движения/НАСА)

Вот почему до того, как ученые прибыли на Бенну, многие ожидали найти его покрытым водоемами из гладкого песчаного материала — немного похожего на то, как выглядит Луна сегодня. Незадолго до этого японская космическая миссия приземлилась на второй небольшой астероид под названием Рюгу. Команда обнаружила такую ​​же пересеченную и скалистую местность.

Сюй и его коллеги были подозрительны.

С 1990-х годов исследователи из LASP использовали вакуумные камеры в лаборатории для изучения странных свойств пыли в космосе, включая подвиг, который они назвали «электростатическим подъемом». Соавтор исследования Сюй Ван объяснил, что когда солнечные лучи омывают участки пористого реголита, на мелких пылинках начинают накапливаться отрицательные заряды. Эти заряды будут накапливаться до тех пор, пока частицы не разорвутся, как два магнита, отталкивающие друг друга.

В некоторых случаях эти пылинки могут разлетаться со скоростью более 20 миль в час (или более 8 метров в секунду).

«Никто никогда раньше не рассматривал этот процесс на поверхности астероида», — сказал Ван, научный сотрудник LASP.

Маленький астероид, большой астероид

Для этого исследователи, в том числе бывшие студенты бакалавриата Калифорнийского университета в Боулдере Энтони Кэрролл и Ноа Худ, провели серию расчетов, изучая физику реголита на двух гипотетических астероидах. Они отслеживали, как пыль может формироваться, а затем прыгать в течение сотен тысяч лет. Один из этих искусственных астероидов был около полумили в поперечнике (по размеру подобен Рюгу), а второй — в несколько миль (по диаметру ближе к таким большим астероидам, как Эрос).

Этот размер имел значение. По оценкам команды, когда пылинки прыгали на более крупный астероид, они не могли набрать достаточную скорость, чтобы вырваться из-под его гравитации. То же самое было не так на меньшем, похожем на Рюгу астероиде.

«Гравитация на меньшем астероиде настолько слаба, что не может сдержать побег», — сказал Сюй. «Мелкозернистый реголит будет потерян».

Эта потеря, в свою очередь, подвергнет поверхность астероидов еще большей эрозии, что приведет к появлению богатого валунами пейзажа, подобного тому, что ученые обнаружили на Рюгу и Бенну. Фактически, за несколько миллионов лет меньший астероид был почти полностью очищен от мелкой пыли. Однако астероид, похожий на Эрос, оставался пыльным.

Хсу отметил, что этот эффект очистки может помочь подтолкнуть орбиты небольших астероидов. Он объяснил, что астероиды мигрируют, потому что солнечное излучение медленно воздействует на них с течением времени. Основываясь на предыдущих исследованиях других ученых, он подозревает, что астероиды, покрытые валунами, могут двигаться быстрее, чем астероиды с более пыльным внешним видом.

Вскоре он и его коллеги могут получить больше доказательств, подтверждающих их расчеты. Менее чем через три месяца миссия НАСА под названием «Испытание перенаправления двойных астероидов» (DART) посетит пару меньших астероидов, и Хсу будет наблюдать, насколько они запылены.

«У нас будут новые изображения поверхности для проверки нашей теории», — сказал он. «Это приятно для нас, но также немного нервирует».