20 октября 2020 года автоматическая станция OSIRIS-REx впервые в истории человечества коснулась поверхности астероида Бенну. Операция в кратере Хокиой, задуманная как короткий «шлепок» длительностью менее пяти секунд, едва не обернулась катастрофой: вместо твердого грунта тридцатисантиметровый пробоотборник TAGSAM провалился в недра небесного тела на полметра, словно в пустоту. Станция продолжала погружаться в астероид даже после включения тормозных двигателей, а вокруг точки контакта возник кратер диаметром девять метров.
Анализ телеметрии показал шокирующий результат: предел прочности поверхностного слоя Бенну оказался менее одного паскаля. Для сравнения, сухой кварцевый песок на Земле обладает прочностью в тысячи паскалей, а граниты — в сотни миллионов. Полукилометровый астероид вел себя как полностью несвязанная сыпучая масса. Парадокс заключался в том, что это противоречило всем теоретическим моделям: силы Ван-дер-Ваальса, которые должны скреплять частицы реголита в условиях микрогравитации, по расчетам обеспечивали достаточную прочность для удержания быстро вращающихся астероидов от распада.
Разгадку удалось найти лишь после того, как в сентябре 2023 года капсула с 120 граммами вещества Бенну приземлилась в Юте. Группа исследователей под руководством Пола Санчеса из Колорадского университета в Боулдере провела прецизионные измерения механических характеристик зерен с помощью атомно-силовой микроскопии и построила фундаментальную модель механики сыпучих астероидов, опубликованную в Nature Communications.
Ключевым оказалось сочетание двух факторов. Традиционная модель Румпфа, описывающая прочность слипающихся порошков, создавалась для идеальных сферических частиц одного размера. Реальный реголит Бенну — это многогранники с острыми сколами и сложной наношероховатостью, которые должны образовывать более прочные площадные контакты. Однако решающим фактором слабости стал гранулометрический состав: поверхность астероида оказалась практически лишена тонкой пыли. Показатель распределения частиц по крупности составил всего 2,12 вместо необходимых 2,5–3,5 для плотной упаковки. Мелкая фракция, которая могла бы заполнить пустоты между крупными обломками и создать миллиарды точек ван-дер-ваальсова контакта, отсутствует — ее выметает солнечный ветер и просеивает вглубь при микросейсмических толчках.
Расчеты показали, что прочность поверхностного слоя Бенну на разрыв составляет от одной тысячной до одной сотой паскаля — примерно в 50 раз ниже предела прочности обычного молотого кофе. Миллиметровые зерна астероида создают настолько разреженную сеть контактов, что даже геометрическое заклинивание угловатых обломков не спасает ситуацию.
Эти выводы имеют прямое прикладное значение для планетарной защиты. Модель Санчеса показывает, что эффективность кинетического удара по астероиду, продемонстрированная экспериментом DART в 2022 году, критически зависит от гранулометрии цели. Если поверхность лишена тонкой пыли, ударный зонд глубоко проникает в несвязанный грунт, формируя конус выброса, масштабы которого определяются не прочностью породы, а лишь слабой гравитацией тела. Кроме того, подтверждается гипотеза о глубинной неоднородности астероидов: на глубине нескольких метров концентрация просеявшейся пыли должна резко возрастать, создавая плотные горизонты с прочностью в десятки паскалей. Это означает, что будущим миссиям — европейской Hera или японскому MMX — придется отказаться от гарпунов и буров, рассчитанных на твердый грунт, в пользу систем, способных работать с рыхлой средой, поведение которой определяется не массой небесного тела, а геометрией отдельных микроскопических зерен.
По материалам: iXBT
