NASA изучает электрические эффекты астероидов

На первый взгляд, космическое пространство, даже если брать во внимание все астероиды и кометы, кажется нам все равно пустым. Однако этот беззвучный вакуум не является абсолютной пустотой. Помимо невидимых нашему глазу потоков света в космосе проходит и электрическая деятельность. Как раз на изучения космического электричества и направляет свое внимание агентство NASA, которое планирует в будущем послать людей на астероид с целью узнать больше о электрической составляющей среды малого небесного тела.

Солнечный ветер мчится от поверхности Солнца сквозь космическое пространство на скоростях в несколько миллионов километров в секунду. Проходя через объекты солнечной системы в потоке формируются циркулирующие водовороты и вихри. Магнитные поля, которые несутся вслед за солнечным ветром, так же могут формировать завихрения по мере того, как они сталкиваются с магнитными полями вокруг планет солнечной системы. В результате такого взаимодействия в космическое пространство вырываются частицы, обладающие такими же огромными скоростями, способные создавать электрические токи. Все это способно повредить чувствительные системы околоземных спутников и космических обсерваторий.

У безвоздушных объектов, таких как Луна или астероиды, солнечный свет выбивает отрицательно заряжение электроны из их вещества, давая освещенным солнцем областям сильный положительный электрический заряд. Вообще, солнечный ветер является электрически проводящим газом, или плазмой, которая является сильно ионизированным веществом, от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделен, по крайней мере, один электрон. Эти электроны является относительно легкими, и имеют отрицательный заряд. Вторым компонентом в плазме являются положительно заряженные ионы, которые в тысячи раз массивнее электронов. Таким образом, области, которые испытывают влияние солнечного ветра, несут положительный заряд, а области тени получают сильный отрицательный. Поверхность Земли защищена от такого прямого воздействия благодаря сильному магнитному полю, но у безвоздушных миров такой защиты нет.

Исследования, спонсируемые NASA и проводящиеся в Институте виртуальных исследований Солнечной системы (Solar System Exploration Research Virtual Institute (SSERVI)), позволили разработать новую компьютерную модель, которая может предсказать и визуализировать взаимодействие между солнечным ветром, солнечным излучением и поверхностью астероидов в беспрецедентных на сегодняшний день деталях.

«Наша модель вообще является самой первой, которая способна обеспечить детализированное двумерное представление о сложном взаимодействии между солнечными процессами и маленькими объектами как астероиды. Это моделирование столь эффективно благодаря использованию адаптивной вычислительной техники», — Майкл Циммерман, руководитель проекта в Лаборатории прикладной физики университета имени Джона Хопкинса.

Предыдущие модели, типа сетки или конечного элемента были менее эффективны при вычислении эффектов солнечной активности по сложным поверхностям как у астероидов, поскольку распределение компьютерных ресурсов происходит равномерно по всей оболочке. Новая модель разрабатывалась на основе древовидного кода и она способна непрерывно адаптироваться к течению плазмы, распределяя больше вычислительных мощностей областям со сложной структурой.

«Наша модель может вычислить взаимодействие солнечного ветра и астероида всего за несколько дней! Ранее нам потребовалось бы несколько недель или суперкомпьютер для того, чтобы рассчитать модель на основе сеток в таком же высоком разрешении», — добавляет Циммерман.

Циммерман и его коллеги в настоящее время пытаются приспособить модель к реальным астероидам, чтобы понять, представляет ли их электрическая деятельность какие-либо потенциальные опасности для космонавтов-исследователей.

«Например, правильное понимание электрической окружающей среды вокруг астероида могло бы помочь идентифицировать место, в которое будущие исследователи могли бы приземлиться. Если космонавт находится в космическом корабле, который, в свою очередь, освещен Солнцем и, соответственно, имеет положительный заряд, то при соприкосновении с поверхностью астероида, находящейся в тени может возникнуть неожиданный электрический разряд. Мез разработанной модели мы просто уже не сможем нормально понимать эти явления», — Уильям Фаррелл, соавтор исследований из Центра космических полетов NASA.

Модель так же может использоваться, чтобы предсказать взаимодействие между астероидом и самим космическим кораблем.

«Одна из причин, по которой мы хотим посетить астероид — это, что они являются относительно древними остатками формирования Солнечной системы. Таким образом, они могут дать ключ к разгадке того, как Солнечная система формировалась и в как в ней зародилась жизнь. Однако, космические аппараты испускают различные газы, которые ионизируются и скорее всего могут загрязнить поверхность изучаемого тела. Разработанная модель так же нам позволяет отследить степень ионизации и оценить площадь загрязняемой поверхности», — продолжил Фаррелл.

Разработанная модель показала, что поток солнечного ветра при взаимодействии с астероидом может создать некоторые явление, которые наблюдались непосредственно на Луне, что вселяет веру в ученых о правдоподобности ее результатов. Например, правильное электронное облако, созданное солнечным ветром, формируется на освещенной Солнцем стороне астероида, в то время как сверхзвуковые потоки с низкой плотностью создаются позади объекта. Однако, как и с любой компьютерной моделью, даже такие совпадения должны быть проверены в натуре.

«В дальнейшем мы планируем расширить способности модели, делая прогнозы и визуализацию в трехмерном представлении. Так же планируем ввести в модель электрическую проводимость различных материалов и различные эффекты магнитного поля», — заканчивает Циммерман.