Опасные астероиды

ВНЕКЛАССНОЕ ЧТЕНИЕ / #7_2019
Иллюстрации: Влад Суровегин

Какова вероятность того, что нашу планету уничтожит астероид? Можно ли создать эффективные средства защиты от астероидов и сколько они будут стоить? Об этом на прошедшем в НИЦ «Курчатовский институт» научном семинаре рассказал профессор, доктор физико-математических наук Петр Александров.

Астероиды — это небесные тела, которые в основном сосредоточены между Марсом и Юпитером. Их миллионы. Астероиды движутся со средней скоростью 20 км/c относительно Солнца и, как правило, небыстро вращаются (оборот вокруг своей оси занимает около семи часов).

Что представляет собой астероид? Согласно современным представлениям, 5 млрд лет назад космическая пыль подверглась облучению со стороны Солнца. Это привело к активации поверхности частиц и возникновению химических связей между ними, появились твердые образования. Из-за слабого влияния гравитации они объединялись между собой, и получалось то, чтó сегодня называется астероидами. В течение миллиардов лет эти тела сталкивались друг с другом и видоизменялись — в результате космос наполнен подобными негомогенными структурами.

Какова классификация небесных тел малого размера? Есть пылинки (размером меньше 0,1 см) — мы их не видим, они сразу сгорают в атмосфере, несущественно меняя ее состав. Далее идут метеороиды. Это, во‑первых, тела размером от 0,1 см до 0,5 метра; их мы можем наблюдать, это так называемые падающие звезды, которые тоже сгорают в атмосфере. Во-вторых, более крупные, до 30 метров — только 1% этих тел долетает до Земли с малой скоростью; они не представляют серьезной опасности. Подобные размеры имел Тунгусский метеорит: максимум, что нам грозит в результате падения такого метеороида, — локальная катастрофа.

Следующая группа — это собственно астероиды, или кометы. Особый интерес представляют тела от 30 метров до 0,5 км — преимущественно о них мы и будем говорить, потому что в этом случае еще есть теоретическая возможность предотвратить катастрофу. Падение на Землю тела диаметром более 1 км неизбежно вызовет глобальную катастрофу. А если радиус упавшего небесного тела будет примерно равен толщине земной коры (то есть около 10 км), то его падение будет означать конец цивилизации.

Время от времени астероиды падают на Землю и на другие планеты. Есть впечатляющие изображения результатов падений: например, кратеры Эратосфен и Коперник на Луне, следы от кратеров на Юпитере и так далее. Я сам видел огромный Аризонский кратер в США — впечатление он производит довольно неприятное. (Диаметр кратера — 1219 метров, глубина — 229 метров. По оценкам экспертов, кратер возник около 50 тыс. лет назад, после падения 50-метрового астероида весом 300 тыс. тонн. — Прим. ред.)

Падения крупных астероидов в прошлом вызывали массовое вымирание некоторых видов животных и растений. Так, около 65 млн лет назад на территории современной Мексики упал огромный астероид — на этом месте сейчас находится кратер Чиксулуб диаметром 180 км. Эта катастрофа повлекла вымирание 50% биоты; некоторые ученые полагают, что она стала причиной вымирания динозавров.

Последствия падения гигантских метеоритов — это образование сейсмических волн, цунами, выброс пыли. Ученые считают, что верхнего предела по разрушениям нет, более того, с развитием человеческой цивилизации становится все больше уязвимых объектов (тех же АЭС, например), следовательно, ущерб от падения будет больше. Теоретические расчеты показывают, что вероятная частота попадания на Землю объектов, подобных Тунгусскому метеориту (вызвавшему взрыв от 10 до 50 мегатонн), — раз в сто лет.
Избежать столкновения
Астероиды изучаются уже много десятков лет, однако экспериментов непосредственно с этими небесными телами проводится немного. Так, в 2005 году NASA провело следующий эксперимент: космический зонд с медным цилиндром весом более 370 кг врезался в комету Темпель‑1 на скорости 37 тыс. км/ч. Энергия, выделившаяся при столкновении, была эквивалентна взрыву 4,5 тонны взрывчатки. С борта зонда велась онлайн-трансляция на Землю. Затем с помощью спектрального анализа ученые определили, из чего состояла эта комета.

Астрономические наблюдения за метеоритами ведутся с помощью ПЗС-камер, похожих на те, что стоят на мобильных телефонах, только гораздо бóльших размеров: один кадр равен одному терабайту. У радиолокационных систем дальность обнаружения небольшая — около 1,5 млн км (для астероидов 100 м диаметром). Если разделить это расстояние на среднюю скорость движения астероида — 20 км/c, — то станет ясно, что от обнаружения до падения астероида пройдет всего несколько минут. Тем не менее эти системы развиваются. Кроме того, сейчас проектируются инфракрасные системы наблюдения космического базирования, но они очень дорогие и срок их службы невелик — 5−10 лет.

Сегодня наблюдения за небесными телами ведут многие страны. Однако система международного сотрудничества и оповещения правительств других стран запутанна и сложна.

Главная задача, которая стоит перед человечеством, — найти метод изменения траектории астероида, удовлетворяющий следующим требованиям: во‑первых, слабая зависимость от параметров астероида (скорости, формы, структуры, вращения); во‑вторых, надежность всех технических компонентов системы и возможность их быстрой проверки; в‑третьих, минимум затратных экспериментов.

Существует несколько теоретических методов воздействия на траекторию астероида. Первый — и это очень красивая идея — так называемая гравитационная буксировка. Массивный космический аппарат приближается к астероиду, затем контроль орбиты прекращается, и буксировщик начинает «свободно падать» на астероид. После этого вновь запускается двигатель, и буксировщик тянет небесное тело в нужную сторону. Этот метод подходит для ­астероидов диаметром 100−500 метров.

Второй метод основан на использовании эффекта Ярковского. (Этот эффект был предсказан еще в 1900 году русским инженером Иваном Ярковским, а в 2000 году на его базе был сформулирован более общий эффект Ярковского — О'Кифа — Радзиевского — Пэддэка (YORP). Он описывает появление слабого реактивного импульса за счет теплового излучения от поверхности астероида, которая нагревается днем и остывает ночью. В результате меняется скорость вращения астероида. — Прим. ред.) Если покрасить астероид в другой цвет — например, в белый, — то он изменит направление своего движения — правда, на это потребуется довольно много времени.

Институт космических исследований РАН предлагает третий метод — удар другим астероидом. Однако смущает малая вероятность того, что рядом окажется второй астероид.

Четвертый метод, который предлагает, в частности, Снежинский ядерный центр, — это взрыв ядерного заряда на глубине примерно одной трети радиуса астероида. Однако доставить на астероид достаточно крупный заряд сегодня не представляется возможным. При этом теоретически подземный взрыв был бы более эффективен, но заряд может прийти в негодность от столкновения с поверхностью астероида.

Самым рациональным считается пятый метод — взрыв ядерного устройства на пролете мимо астероида. Тогда в результате воздействия нейтронного, рентгеновского излучения поверхность астероида начнет испаряться, и при сохранении формы астероида появится реактивная сила, которая станет толкать астероид в другую сторону. У этого метода есть ряд преимуществ.

Во-первых, существуют устройства с энергией взрыва 10−10 000 кТ. И в России, и в других странах (например, США и Китае) есть средства доставки такого заряда, параметры которых соответствуют необходимым. Из отечественных средств можно назвать «Союз», «Зенит», «Протон», «Ангару».

Во-вторых, ядерный взрыв — это достаточно короткое энерговыделение (меньше одной микросекунды), и за это время астероид не успеет пролететь большое расстояние. Следовательно, взрыв заряда при его прохождении на высокой скорости (около 20 км/с) позволит направить астероид практически в любую сторону, и результат не будет зависеть от скорости и вращения астероида.

Еще одно, третье преимущество — малая зависимость от формы астероида. Реактивный импульс взрыва идет внутрь объема астероида, при этом разлет возможных фрагментов может быть направлен только в сторону от точки взрыва.

Современные ракеты не позволяют использовать заряд более чем 10 Мт. Это ограничивает размеры астероида до диаметра 20 метров — 1 км.

Для подтверждения эффективности данного метода использовали два разных способа оценки импульса отдачи. Теоретические расчеты показали: если рядом с астероидом диаметром 200 метров взорвать ядерный заряд мощностью в 1 мегатонну, то скорость смещения будет равна 13 м/с, и за пять дней астероид сместится на величину, равную радиусу Земли. Однако погрешность оценки этого расчета оценивается в 10 раз, а цена ошибки очень велика — следовательно, необходимы экспериментальные данные.

Последние исследования показывают, что в астероидах довольно много воды. Воду мы видим, например, когда комета подлетает к Солнцу: начинается испарение; красивый «хвост» кометы состоит из воды и пыли.

Исходя из этого, придумали такую модель астероида. Взяли стеклянные шарики диаметром 10−20 мм, заморозили их и спустили в воду: получилось около 900 шариков, слабо связанных льдом. Далее провели следующий эксперимент: выстрелили в модель пулькой со скоростью 600−900 м/с. В результате, в полном соответствии с расчетами, энергия удара пошла не на разрушение шариков, а на их разлет. Возникает опасение: не приведет ли рассредоточенное воздействие к развалу объекта на крупные фрагменты? Расчет показал, что при воздействии начнется только испарение поверхности. Качественный эксперимент — выстрел из ружья дробью — это подтвердил.

В итоге сделан следующий вывод: адекватность физической модели каменных астероидов, совпадение моделирующих экспериментов с расчетами позволяют провести расчеты для астероидов реальных размеров любой формы и скорости вращения.
Цена безопасности
Попытаемся спрогнозировать ситуацию: что будет, если наблюдения покажут высокую вероятность столкновения астероида с Землей через 10 лет?

Увы, скорее всего, за это время мы не успеем подготовить и осуществить вывод астероида с орбиты. Первая причина — это несовершенство технических систем. Вторая причина — сложности достижения международных договоренностей: сегодня существует большое количество международных соглашений, подписанных, в том числе, Россией (договоры о запрещении испытания ядерного оружия в трех средах, о принципах освоения Луны и небесных тел, о нераспространении ядерного оружия и другие). Чтобы осуществить ядерный взрыв около астероида, Совет безопасности ООН должен признать серьезность угрозы, для этого нужны убедительные доказательства и согласие многих стран. Все это непростые процедуры. (Есть, кстати, компромиссное решение: можно заранее вывести на орбиту Земли только одну оболочку ядерного взрывного устройства, которая не представляет никакой опасности. А в случае астероидной угрозы доставить туда специальной ракетой необходимую электронику и термоядерную часть.)

Какие основные технические проблемы могут возникнуть при осуществлении ядерного взрыва рядом с астероидом?

Во-первых, мы не знаем со стопроцентной точностью, из чего состоит астероид и как с ним обращаться. Следовательно, необходимы расчетное и экспериментальное моделирование воздействия на астероид, создание расчетных моделей астероида.

Во-вторых, нужно создать высоконадежную элементную базу электроники, которая работала бы в космосе много лет (особенно важна устойчивость к действию тяжелых заряженных частиц).

В-третьих, очень важная вещь — устойчивость самого заряда к действию космических факторов, особенно к термоциклированию: у плутония, входящего в состав взрывных устройств, коэффициент теплового расширения по разным осям разный.

В-четвертых, конечно, надо совершенствовать наблюдательно-предсказательные базы. По мнению ученых, сегодня описано уже 90% всех астероидов, их траектории известны. Однако нам не видны астероиды, летящие со стороны Солнца; кроме того, астероиды часто сталкиваются и пролетают мимо крупных планет, на них действуют и другие факторы (тот же эффект Ярковского) — и предсказать все эти события невозможно.

Ну и, в‑пятых, нужно разрабатывать стратегии перехвата и повышать точность решения навигационных задач.

Естественно, принимая во внимание все эти проблемы, одна страна не сможет предотвратить астероидную опасность из-за юридических, финансовых и технических трудностей. Необходимо международное сотрудничество всех членов ООН.

Сколько времени займет создание такого проекта?

Разработка глобальной системы наблюдений и проведение эксперимента по изменению траектории какого-нибудь неопасного для Земли астероида ориентировочно займут десять лет. Стоимость таких работ составит около 10% от всей суммы проекта. После этого можно будет писать техническое задание на всю систему. Еще 15 лет необходимо для проектирования и создания системы длительного существования. В итоге выходит не менее 25 лет.

Какова ориентировочная стоимость подобного проекта?

Американская программа Shuttle оценивается в $ 200 млрд. Если учесть инфляцию, необходимость вложений в глобальную систему наблюдения и оценки опасности, создание длительно действующей аппаратуры постоянной готовности для воздействия на траекторию астероида, стоимость проекта составит около $ 700 млрд. На первый взгляд, это гигантская сумма. Однако подсчитано, что на военные нужды ежегодно тратится $ 180 на человека. А для того, чтобы собрать требуемые $ 700 млрд, необходимо только $ 5 в год с человека. Я, например, такую сумму готов платить.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #7_2019