Что будет с метеоритом в ускорителе частиц? Оказалось, астероиды в 7 раз прочнее расчетов

Эксперимент на ускорителе в ЦЕРНе выявил скрытое свойство метеоритного железа. Под воздействием высокоэнергетического излучения материал не разрушается, а меняет свою структуру, становясь значительно прочнее. Это открытие требует пересмотра существующих моделей планетарной защиты.

Когда NASA в 2022 году протаранило астероид Диморф зондом DART, человечество выдохнуло: мы можем сбивать небесные тела с курса. Но у этой победы был нюанс. Инженеры знали, что нужно сделать (ударить сильно), но очень приблизительно понимали, как поведет себя материал астероида в момент удара.

Проблема масштабирования данных

Главная сложность в разработке систем защиты от астероидов заключается в так называемом «парадоксе прочности». Когда ученые исследуют небольшие образцы метеоритов в лабораторных условиях, применяя методы статического давления (например, наноиндентирование), они получают определенные значения предела текучести материала. Однако анализ реальных событий — таких как вхождение крупных болидов в атмосферу Земли — показывает, что объекты разрушаются при нагрузках, превышающих лабораторные показатели в семь раз.

Это расхождение критично для планирования миссий. Если инженеры рассчитают силу удара по астероиду (кинетическим импактором или ядерным зарядом) на основе заниженных лабораторных данных, существует риск приложить избыточную энергию. В худшем сценарии это приведет не к отклонению траектории объекта, а к его фрагментации — превращению одного крупного тела в поток радиоактивной или кинетической шрапнели, что лишь усугубит угрозу.

Для устранения этого пробела в знаниях необходимо было изучить поведение материала не в статике, а в динамике — в момент резкого выделения энергии внутри объема вещества.

Экспериментальная установка и методология

Эксперимент проводился на специализированном полигоне HiRadMat (High-Radiation to Materials) в ЦЕРНе. Эта установка позволяет тестировать материалы, подвергая их воздействию пучков частиц с экстремальной плотностью энергии. В качестве объекта исследования был выбран образец железного метеорита Кампо-дель-Сьело, который по своему составу и структуре является репрезентативным для класса железных астероидов.

Вместо механического воздействия ученые применили облучение образца короткими импульсами протонов с энергией 440 ГэВ, разогнанных в Супер-протонном синхротроне (SPS). Выбор протонного пучка не случаен: заряженные частицы проникают вглубь мишени, вызывая ионизацию атомов и мгновенный разогрев материала по всей траектории прохождения пучка. Этот процесс происходит за доли микросекунды и носит характер «квази-изохорного нагрева» — температура повышается настолько быстро, что вещество не успевает расшириться, что приводит к возникновению мощных волн сжатия и растяжения.

Для регистрации реакции материала использовалась лазерная доплеровская виброметрия. Этот бесконтактный метод позволяет с высокой точностью измерять скорость смещения поверхности образца, фиксируя вибрации и деформации в реальном времени. Фактически, ученые записывали «акустический отклик» метеорита на энергетический удар.

Переход от упругости к пластичности

В ходе серии тестов исследователи варьировали интенсивность пучка, наблюдая за изменением поведения образца. Результаты позволили выделить три четкие стадии реакции метеоритного вещества.

На первом этапе, при низкой интенсивности пучка (порядка 100 миллиардов протонов), материал демонстрировал упругое поведение. После удара возникали затухающие колебания определенной частоты, после чего образец возвращался в исходную форму. Энергия удара рассеивалась в виде механических вибраций.

На втором этапе интенсивность пучка была увеличена в три раза. Виброметры зафиксировали резкое прекращение колебаний. Это свидетельствовало о переходе материала в режим пластической деформации. Энергия, вместо того чтобы преобразовываться в вибрацию, расходовалась на необратимую перестройку внутренней структуры металла. Расчетное напряжение в материале достигло 120 МПа, что превысило предел упругости для данного состояния вещества.

Третий этап стал наиболее показательным. После серии высокоинтенсивных импульсов образец снова начал демонстрировать колебательную активность, характерную для упругого тела. Это означало, что предел текучести материала повысился непосредственно в процессе эксперимента.

Механизм деформационного упрочнения

Физическая природа наблюдаемого явления заключается в поведении дислокаций — линейных дефектов кристаллической решетки. Пластическая деформация металла происходит за счет движения этих дислокаций.

В момент мощного энергетического воздействия в структуре метеорита происходит лавинообразное рождение новых дислокаций. Их плотность возрастает многократно (по оценкам авторов исследования, в 6 раз). При достижении критической концентрации дислокации начинают мешать друг другу перемещаться, образуя своеобразные «заторы» на атомном уровне.

В металловедении этот процесс известен как деформационное упрочнение (наклеп). Однако впервые удалось зафиксировать его развитие в реальном времени на образце внеземного происхождения при столь высоких скоростях нагружения. Расчеты показали, что предел текучести метеорита вырос с исходных 350 МПа до 875 МПа. Материал адаптировался к нагрузке, став в 2,5 раза прочнее.

Роль гетерогенной структуры

Важным фактором высокой устойчивости железных метеоритов является их микроструктура. Кампо-дель-Сьело состоит из двух фаз железо-никелевого сплава: камасита (объемно-центрированная кубическая решетка) и тэнита (гранецентрированная кубическая решетка).

Камасит обладает меньшей прочностью, в то время как тэнит значительно тверже. Вместе они образуют природный композитный материал. При динамической нагрузке более мягкая фаза обеспечивает диссипацию (рассеивание) энергии, а твердая фаза и границы между зернами препятствуют развитию деформации. Также было обнаружено, что данная структура обладает высоким коэффициентом затухания колебаний, что предотвращает разрушение объекта от резонанса при повторных ударах.

Стратегические выводы для планетарной защиты

Результаты исследования, опубликованные в Nature Communications, позволяют разрешить проблему несоответствия данных. Ученые вывели масштабирующий коэффициент (примерно равный 7), который объясняет разницу между статическими лабораторными тестами и реальной динамической прочностью.

Это открытие имеет прямые прикладные следствия для разработки систем защиты Земли:

1. Повышение энергетического порога. Железные астероиды способны поглотить значительно большее количество энергии без риска катастрофического разрушения, чем предполагалось ранее. Это легитимизирует использование высокоэнергетических методов воздействия, таких как ядерные взрывы на поверхности (stand-off nuclear explosions) или воздействие мощными пучками частиц, там, где ранее опасались фрагментации.
2. Эффект памяти материала. При планировании миссий с многократным воздействием необходимо учитывать изменение свойств мишени. После первого импульса астероид станет прочнее, и для достижения того же динамического эффекта последующие удары должны быть скорректированы с учетом новой жесткости материала.
3. Важность внутренней структуры. Моделирование отклонения астероида не может рассматривать его как однородное тело. Внутренние инерционные процессы и фазовый состав играют определяющую роль в распределении ударной волны.

Эксперимент доказал, что под воздействием экстремальных нагрузок метеоритное вещество ведет себя как сложная динамическая система, способная к структурной адаптации. Это знание позволяет перейти от теоретических гаданий к инженерно обоснованным расчетам прочности, что критически важно для обеспечения безопасности планеты в будущем.

Источник:Nature Communications