Внешний вид поверхности астероидов объяснили «эффектом попкорна»

Пара сравнительно недавних миссий — японская «Хаябуса-2» и американский OSIRIS-REx — подарили ученым ценную порцию ранее невозможных данных: фотографии астероидов с максимально близкого расстояния. И человечество ждал сюрприз, ведь малые космические тела выглядели несколько иначе, чем ранее представлялось. Их поверхность оказалась лишена пыли и была покрыта валунами с булыжниками. Новое исследование предложило природный механизм, объясняющий такую разницу между предсказаниями и действительностью.

Научная работа с описанием серии экспериментов и результатами моделирования опубликована в журнале Nature Astronomy. Ее подготовили специалисты из Университета штата Колорадо в Боулдере (UCB) под руководством Сян-Веня Хсю (Hsiang-Wen Hsu). Идея исследования появилась после публикации в 2020 году снимков астероида (101955) Бенну, на которых удалось различить мельчайшие подробности его поверхности. Сделал их аппарат OSIRIS-REx во время максимального сближения с объектом своего изучения для забора грунта.

Забор грунта астероида (101955) Бенну аппаратом OSIRIS-REx, съемка с бортовой камеры в момент финального сближения / ©NASA’s Goddard Space Flight Center, CI Lab, SVS
 

Согласно распространенной как в массовом сознании, так и в научных кругах точке зрения, астероиды представляют собой комки из крупных твердых фрагментов породы и мелкой пыли. Таким образом, их поверхность должна быть покрыта песчаными «озерами» с редкими вкраплениями выступающих камней. Звучит логично: мельчайшие частички реголита легче притягиваются даже слабой гравитацией и заполняют пространство между более крупными булыжниками, гравием и камушками. Однако реальность оказалась иной.

Поверхность астероида (162173) Рюгу, запечатленная миниатюрным посадочным аппаратом MASCOT / ©JAXA

На присланных зондом OSIRIS-REx изображениях поверхность (101955) Бенну похожа на некачественную наждачную бумагу с очень неравномерным размером зерна. Или скорее смахивает на крупный план отвала ненужной породы из карьера — никакой пыли и почти нет песка, только разномастные камушки. Аналогичную картину показал аппарат «Хаябуса-2», приславший первые снимки другого сравнительно небольшого астероида — (162173) Рюгу — двумя годами ранее.

Авторы нового исследования обратили внимание на работы своих коллег по Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP) в UCB. Уже более 30 лет в этом учреждении изучают поведение частиц реголита в условиях вакуума. Повторив некоторые особенно показательные эксперименты, команда Хсю предположила следующий механизм, определяющий облик поверхности астероидов.

Таймлапс микроскопических пылинок в вакуумной камере, подпрыгивающих под действием электростатических зарядов / ©IMPACT Lab

Мельчайшие частички пыли под действием солнечного света приобретают отрицательный заряд. В какой-то момент его величина становится достаточной, чтобы две рядом находящихся пылинки оттолкнулись друг от друга. При внимательном взгляде на образцы в вакуумной камере может показаться, что это жарится очень мелкий попкорн на сковородке. В некоторых случаях полученная по итогу отталкивания скорость достигает заметных значений — вплоть до восьми метров в секунду. Для небольших астероидов вроде Рюгу и Бенну она превышает первую космическую.

Учитывая экспериментальные данные, исследователи построили модель такого объекта в межпланетном пространстве. Всего за несколько сотен тысяч лет виртуальный астероид диаметром около 800 метров (крупнее Бенну, но чуть меньше Рюгу) полностью растерял всю пыль со своей поверхности. Вдобавок такие объекты вращаются, и камни, из которых они состоят, постоянно проходят циклы нагрева солнечным светом и остывания.

В результате рано или поздно они трескаются, выбрасывая новую порцию пыли, которая со временем улетучивается в космос. Получается, безо всяких заметных воздействий небольшие астероиды плавно теряют массу.

Этот же эффект может оказывать влияние на траекторию малых небесных тел — улетучивающаяся пыль передает импульс «материнскому» объекту. Если реголит отбрасывается в разных направлениях неравномерно, то и орбита астероида будет меняться. Правда, заметить такие небольшие колебания пока нет возможности, нужны куда более продолжительные наблюдения, чем проводили до сих пор.

А вот крупные объекты, гравитация которых может удержать улетающие на скорости в несколько метров в секунду песчинки, сохраняют на поверхности пыль. И таким образом оказываются более живучими, чем свои меньшие собратья. Дело в том, что слой пыли частично изолирует лежащие под ним породы от температурных воздействий и замедляет их эрозию.

Помимо моделирования, теория американских ученых пройдет проверку практикой менее чем через три месяца. Осенью этого года миссия DART сблизится с астероидом (65803) Дидим и его спутником Диморфом. Последний — совсем небольшой объект диаметром 160 метров. Если расчеты Хсю и его коллег верны, поверхность обоих тел будет практически лишена пыли (Дидим сравним по размерам с Рюгу). В противном случае теорию придется модифицировать.