Метод отклонения опасных астероидов рентгеновским излучением проверили в лаборатории

Физики в лабораторных условиях проверили возможность защиты Земли от опасных астероидов путем их отклонения за счет мощных потоков рентгеновского излучения, создаваемого ядерными взрывами. При помощи рентгеновского излучения от Z-машины им удалось заметно ускорить мишени из кварца, что говорит о жизнеспособности метода для отклонения астероидов с диаметром до четырех километров. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Падения на Землю крупных астероидов, таких как Чиксулуб, могут происходить, по оценкам ученых, раз в 250–500 миллионов лет. К настоящему моменту существуют несколько идей методов защиты Земли от опасных астероидов, позволяющих их разрушать или отклонять от первичной траектории. На практике был опробован лишь метод кинетического тарана — в 2022 году зонд DART врезался в астероид Диморф, изменив период его обращения вокруг астероида Дидим.

Натан Мур (Nathan Moore) из Сандийских национальных лабораторий в США и его коллеги решили экспериментально в лабораторных условиях проверить методику отклонения астероида при помощи мощного потока рентгеновского излучения, который генерируется при помощи ядерных взрывов вблизи цели. Предполагается, что рентгеновское излучение будет вызывать быстрый нагрев поверхности астероида, вызывая испарение его вещества и расширение получившейся смеси, что придаст астероиду дополнительный импульс. Лабораторные эксперименты в этой области уже проводились, однако мало учитывали импульс, передаваемый от расширяющейся газовой смеси после генерации начальной ударной волны, сосредотачиваясь на параметрах ударной волны на самых ранних стадиях.

Ученые использовали Z-машину (одна из крупнейших установок подобного рода в мире), которая работает по принципу Z-пинча, для генерации аргоновой плазмы, испускающей импульс мягкого рентгеновского излучения с общей энергией 1,5 мегаджоуля. Излучение затем попадает в экспериментальные стенды, расположенные радиально относительно камеры. Расчетный поток энергии, попадающий на образцы и нагревающий их, оценивается в 1,9–2,8 гигаватта на квадратный сантиметр.

В качестве целей использовались две мишени из кварца и плавленого кварца (силикатов много в метеоритах) шириной 12 миллиметров. Мишени удерживались тонкими кольцами из металлической фольги, которые испарялись под действием излучения, сами мишени в это время нагревались излучением. При этом на время эксперимента длительностью 20 микросекунд можно пренебречь свободным падением мишеней. Для улавливания плазмы, создаваемой из испаренной фольги, использовалась система концентрических перегородок, по расчетам воздействие ударной волны от разрушения фольги на мишени было очень мало.

Исследователи выделяют три стадии развития наблюдаемых процессов. Первая стадия характеризуется нагревом поверхности мишени, ее разложением и термической ионизацией, а также стартом сверхзвукового расширения испаренного вещества. На второй стадии шлейф испаренного вещества расширяется и идет передача импульса от газа к твердому телу, она заканчивается, когда энергия ударных волн переходит в акустическую и тепловую энергию. На третьей стадии генерация испаренного вещества мишени прекращается, скорость передачи импульса между газом и твердым телом уменьшается, и мишень оказывается в свободном полете с конечной скоростью.

Для проведенных экспериментов скорости движения мишеней составили 69,5 метра в секунду (кварц) и 70,3 метра в секунду (плавленый кварц). Эти результаты согласуются с результатами радиационно-гидродинамического моделирования, которые дают значения скоростей в 82 метра в секунду (кварц) и 73 метра в секунду (плавленый кварц). Если масштабировать эти оценки для реальных условий, то метод выглядит жизнеспособным для отклонения астероида с диаметром до 3,3–4,4 километра, которому может быть придана дополнительная скорость более 0,01 метра в секунду.

Подробнее о методах планетарной защиты и деталях проекта DART можно узнать в материале «Вломи ему, Дарт!».