Чему незапланированная авария ракеты на Луне может научить нас о физике столкновений в космосе

4 марта 2022 года одинокий отработавший ракетный ускоритель врезался в поверхность Луны на скорости почти 6 000 миль в час. Когда пыль осядет, орбитальный аппарат НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter переместится на позицию, чтобы с близкого расстояния рассмотреть дымящийся кратер и, возможно, пролить свет на загадочную физику столкновения планет.

Как планетолог, изучающий Луну, я рассматриваю это незапланированное столкновение как захватывающую возможность.

Луна была неизменным свидетелем истории Солнечной системы, ее сильно изрезанная кратерами поверхность зафиксировала бесчисленные столкновения за последние 4 миллиарда лет. Однако ученым редко удается разглядеть снаряды - обычно астероиды или кометы, - которые образуют эти кратеры.

Не зная специфики того, что привело к образованию кратера, ученые могут узнать очень многое, изучая его.

Предстоящий удар ракеты станет удачным экспериментом, который может многое рассказать о том, как естественные столкновения разрушают и стирают планетарные поверхности.

Более глубокое понимание физики столкновения поможет исследователям интерпретировать бесплодный ландшафт Луны, а также влияние столкновений на Землю и другие планеты.

В последнее время ведутся споры о точной принадлежности кувыркающегося объекта, который в настоящее время находится на пути столкновения с Луной.

Астрономы знают, что объект является разгонным блоком, выброшенным при запуске высотного спутника. Его длина составляет около 40 футов (12 метров), а вес - почти 10 000 фунтов (4 500 килограммов).

Есть основания полагать, что это, скорее всего, либо ракета компании SpaceX, запущенная в 2015 году, либо китайская ракета, запущенная в 2014 году, но обе стороны отрицают свою принадлежность.

Ожидается, что ракета врежется в обширную бесплодную равнину внутри гигантского кратера Герцшпрунга, расположенного за горизонтом на дальней от Земли стороне Луны.

Через мгновение после того, как ракета коснется лунной поверхности, ударная волна пройдет по всей длине снаряда со скоростью несколько миль в секунду. В течение миллисекунды задняя часть корпуса ракеты будет разрушена, а куски металла разлетятся во все стороны.

Двойная ударная волна устремится вниз в порошкообразный верхний слой поверхности Луны, называемый реголитом. Сжатие от удара нагреет пыль и камни и создаст белую горячую вспышку, которая будет видна из космоса, если в это время в этом районе окажется корабль.

Облако испарившейся породы и металла будет распространяться от места удара, а пыль и частицы размером с песок будут выброшены в небо. В течение нескольких минут выброшенный материал дождем упадет на поверхность вокруг дымящегося кратера. От злополучной ракеты практически ничего не останется.

Если вы любите космос, то, возможно, прочитав это описание, вы испытаете дежа вю - НАСА провело аналогичный эксперимент в 2009 году, когда намеренно врезался спутник наблюдения и зондирования лунных кратеров, или LCROSS, в постоянно затененный кратер вблизи южного полюса Луны.

Я участвовал в миссии LCROSS, и она увенчалась огромным успехом. Изучая состав пылевого шлейфа, поднявшегося в солнечный свет, ученые смогли обнаружить следы нескольких сотен фунтов водяного льда, который был освобожден с поверхности Луны в результате удара.

Это было важнейшим доказательством, подтверждающим идею о том, что на протяжении миллиардов лет кометы доставляли на Луну воду и органические соединения, падая на ее поверхность.

Однако, поскольку кратер ракеты LCROSS постоянно закрыт тенью, я и мои коллеги уже десятилетие пытаемся определить глубину этого погребенного слоя, богатого льдом.

Случайный эксперимент предстоящего падения даст возможность ученым-планетологам наблюдать очень похожий кратер при свете дня. Это будет все равно, что впервые увидеть кратер LCROSS во всех подробностях.

Поскольку столкновение произойдет на дальней стороне Луны, оно окажется вне поля зрения земных телескопов. Но примерно через две недели после столкновения орбитальный аппарат НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter начнет получать проблески кратера, поскольку его орбита будет проходить над зоной столкновения.

Как только условия станут подходящими, камера лунного орбитального аппарата начнет делать фотографии места столкновения с разрешением около 3 футов (1 метра) на пиксель. Лунные орбитальные аппараты других космических агентств также могут направить свои камеры на кратер.

По форме кратера и выброшенной пыли и камней можно будет судить о том, как была ориентирована ракета в момент падения. При вертикальной ориентации кратер будет более круглым, в то время как асимметричная форма обломков может свидетельствовать скорее о падении.

Модели предполагают, что кратер может быть от 30 до 100 футов (10-30 метров) в диаметре и от 6 до 10 футов (2-3 метра) глубиной.

Ценной информацией будет также количество тепла, выделившегося в результате удара. Если наблюдения будут проводиться достаточно быстро, есть вероятность, что инфракрасный прибор лунного орбитального аппарата сможет обнаружить раскаленный материал внутри кратера.

Это может быть использовано для расчета общего количества тепла от удара. Если орбитальный аппарат не сможет получить обзор достаточно быстро, то для оценки количества расплавленного материала в кратере и поле обломков можно будет использовать снимки высокого разрешения.

Сравнивая изображения, полученные до и после удара с помощью камеры и теплового датчика орбитального аппарата, ученые будут искать любые другие тонкие изменения на поверхности. Некоторые из этих эффектов могут распространяться на радиус кратера в сотни раз.

Столкновения и образование кратеров - распространенное явление в Солнечной системе. Кратеры разрушают и фрагментируют планетарную кору, постепенно формируя рыхлый, зернистый верхний слой, характерный для большинства безвоздушных миров.

Однако общая физика этого процесса плохо изучена, несмотря на его распространенность.

Наблюдение за предстоящим ударом ракеты и образовавшимся кратером может помочь планетологам лучше интерпретировать данные эксперимента LCROSS 2009 года и создать более точные модели столкновения.

Поскольку в ближайшие годы Луну планирует посетить целая фаланга миссий, знания о свойствах лунной поверхности, особенно о количестве и глубине залегания льда, являются весьма востребованными.

Независимо от того, кем была эта ракета, этот редкий случай столкновения позволит получить новые сведения, которые могут оказаться решающими для успеха будущих миссий на Луну и за ее пределы. Беседа

Пол Хейн, доцент кафедры астрофизических и планетарных наук, Университет Колорадо в Боулдере.