מודל חדש ב־Nature Communications, שעוגן במדידות מדגימות OSIRIS-REx, מראה כיצד גודל וצורת גרגרי הרגולית קובעים את חוזקו של אסטרואיד "ערימת שברים". בבנו חוזק פני השטח נמוך מפסקל אחד, נתון חשוב גם להבנת פגיעות והסטת אסטרואידים
האסטרואיד בֶּנוּ נראה בתצלומים כמו גוף סלעי קשיח, אבל מבחינה מכנית פני השטח שלו קרובים יותר לערימה רופפת של חצץ ואבק מאשר לסלע מוצק.
מחקר חדש ב־Nature Communications פיתח מסגרת כללית לחיזוי חוזקם של אסטרואידים גרגריים לפי גודל וצורת החלקיקים המרכיבים אותם. כשהחוקרים החילו את המודל על בנו, באמצעות נתונים מדגימות שהחזירה לכדור הארץ משימת OSIRIS-REx, הם מצאו שפני השטח שלו חלשים במיוחד – פחות מפסקל אחד.
המחבר הראשון פול סאנצ'ס מאוניברסיטת קולורדו בבולדר המחיש את המספר בהשוואה יומיומית: גליל קטן של קפה טחון טרי מחזיק בערך 50 פסקל, ועדיין אפשר לנקב אותו באצבע. פני השטח של בנו חלשים בערך פי 50 מזה.
אסטרואיד שאינו באמת "סלע אחד"
משימות חלל הראו שכמה אסטרואידים קטנים – בהם בנו, ריוגו ואיטוקאווה – אינם גושי סלע מוצקים.
הם בנויים מאוסף של אבק, גרגרים, סלעים וסלעי ענק המוחזקים יחד בעיקר בכבידה העצמית החלשה שלהם ובכוחות לכידות חלשים בין חלקיקים.
מבנים כאלה מכונים לעיתים "ערימות שברים" – rubble piles.
הבעיה היא שחוזקם המכני תלוי לא רק בכמה חומר יש בהם, אלא גם בדרך שבה הגרגרים נארזים ונוגעים זה בזה.
78 סימולציות של "גשר גרגרים"
במקום לנסות לדמות אסטרואיד שלם, החוקרים בנו מודל קטן יותר.
הם דימו שכבת גרגרים מלוכדים בין שני סלעים גדולים, כל אחד בקוטר מטר, ואז משכו את שני הסלעים זה מזה בהדרגה עד שה"גשר" הגרגירי נקרע.
הצוות ביצע 78 סימולציות.
בחלקן הגרגרים היו כדוריים, ובאחרות פוליהדריים – מוארכים, שטוחים או זוויתיים – בעשר צורות שונות. קוטר הגרגרים נע בין שניים לחמישה סנטימטרים.
המודל כלל גם כבידה וגם כוחות ואן דר ואלס בין החלקיקים.
גם הגודל וגם הצורה קובעים
התוצאה הייתה ברורה: גרגרים קטנים יותר יוצרים חומר חזק יותר משום שאפשר לארוז יותר מהם באותו נפח וכך להגדיל את מספר נקודות המגע.
גם הצורה חשובה.
שני כדורים נוגעים בדרך כלל בנקודה אחת. גרגרים זוויתיים יכולים להיצמד לאורך קצה או שטח פנים גדול יותר, להינעל זה בזה וליצור רשת קשרים חזקה יותר.
החוקרים הצליחו לפתח יחסי קנה מידה שמאפשרים להעריך את חוזק המתיחה לפי קוטר שקול של הגרגרים או לפי מידת הכדוריות שלהם.
דגימות בנו הפכו את המודל ממופשט למעשי
במשך שנים נאלצו חוקרים להניח ערכים עבור כוחות הלכידות בין גרגרים.
OSIRIS-REx שינתה זאת.
החללית אספה חומר מפני בנו ב־2020 והחזירה אותו לכדור הארץ ב־2023. מאז נמדדו במעבדות גודל החלקיקים, צורתם, ההרכב שלהם וכוחות המשיכה בין חלקיק לחלקיק.
הנתונים האלה אפשרו להחיל את המודל החדש על מקום הדגימה בבנו ולא רק על חומר תאורטי.
החישובים הראו שחוזק המתיחה המקומי יכול להיות בסדר גודל של אלפיות עד מאיות פסקל עבור גודל חלקיקים ממוצע של כמילימטר, ובכל מקרה נשאר נמוך מאוד.
ההערכות תואמות מדידות עקיפות שנעשו כבר בזמן איסוף הדגימה.
כשהחללית נגעה – הקרקע כמעט קרסה
ב־2020 הורידה OSIRIS-REx את ראש הדגימה TAGSAM אל פני בנו.
במקום לפגוש משטח קשיח, הראש חדר בקלות לתוך הרגולית. האירוע הפך למעשה לניסוי חדירה בתנאי מיקרו־כבידה.
שחזורים של האירוע כבר הצביעו על חוזק לכידות קטן מפסקל אחד.
המודל החדש מסביר מדוע.
דווקא מחסור באבק הופך את בנו לחלש
אינטואיטיבית אפשר לחשוב שאבק דק הופך חומר לרופף יותר.
בבנו קורה ההפך.
גרגרים זעירים יכולים להיכנס בין גרגרים גדולים יותר, להגדיל את מספר המגעים ולחבר את המבנה באמצעות כוחות ואן דר ואלס.
כאשר חסר אבק דק, נשארים חללים גדולים יותר ויש פחות קשרים בין החלקיקים.
לדברי החוקרים, המחסור היחסי בגרגרים העדינים הוא כנראה הסיבה המרכזית לכך שפני בנו חלשים כל כך.
למה זה חשוב להגנה על כדור הארץ
חוזק של אסטרואיד אינו רק פרט גאולוגי.
אם בעתיד יהיה צורך להסיט אסטרואיד מאיים באמצעות פגיעה קינטית, כמו בניסוי DART של נאס"א, התוצאה תלויה מאוד בתכונות המכאניות של המטרה.
גוף צפוף וחזק מגיב לפגיעה אחרת מערימת שברים חלשה.
כאשר מתכננים סימולציות של פגיעה והסטה, צריך להזין לתוכנה פרמטרים כמו חוזק מתיחה, לכידות, נקבוביות והתפלגות גדלי החלקיקים.
עד היום חלק מן הערכים האלה היו הערכות בלבד.
המסגרת החדשה מאפשרת להתחיל לקשור אותם לתכונות שאפשר למדוד בדגימות או להסיק מתצפיות.
לא רק בנו
החוקרים מתכננים להרחיב את המודל לטווח רחב יותר של גדלי גרגרים ולשכבות הפנימיות של אסטרואידים.
זו עדיין משימה קשה, משום שרוב מה שאנחנו יודעים על אסטרואידים מגיע מפני השטח.
אבל אם הקשר בין גודל, צורה ולכידות יתברר ככללי גם באסטרואידים נוספים, אפשר יהיה לבנות תמונה מכאנית טובה יותר של גופים שאנחנו לעיתים יודעים היטב איך הם נראים – אבל הרבה פחות טוב איך הם יגיבו כשנוגעים בהם, קודחים בהם או פוגעים בהם.
שאלות ותשובות
עד כמה פני בנו חלשים? פחות מפסקל אחד לפי המודל והערכות קודמות. בהשוואה שנתן אחד החוקרים, פני השטח חלשים בערך פי 50 מקפה טחון טרי.
למה מחסור באבק מחליש את האסטרואיד? גרגרים קטנים ממלאים חללים בין גרגרים גדולים ומגדילים את מספר נקודות המגע והלכידות. כשיש מעט גרגרים דקים, המבנה נשאר רופף יותר.
איך יודעים שהמודל מתאים לבנו? החוקרים השתמשו במדידות ישירות של דגימות שהחזירה OSIRIS-REx והשוו את התוצאה להערכות שנגזרו מאירוע איסוף הדגימה ומתצפיות מרחוק.
מה הקשר להגנה פלנטרית? חוזק האסטרואיד קובע כיצד הוא מגיב לפגיעה מכוונת. זהו פרמטר מרכזי בסימולציות של משימות הסטה כמו DART.
המאמר המדעי
מקור
עוד בנושא באתר הידען
- האסטרואיד בֶּנוּ הוא קפסולת זמן של חומרים המעידים על מוצאו ועל השינוי שחל בו לאורך מיליארדי שנים
- סוד בן מיליארד שנים נחשף באבק של האסטרואיד בֵנוּ
- הפתעה בדגימה מהאסטרואיד: בֵּנוּ מכיל את "המרכיבים המקוריים" של מערכת השמש
- קפסולת OSIRIS-REx של נאס"א ובה דגימות קרקע מאסטרואיד נחתה בשלום ביוטה והועברה לחדר נקי
- אוסיריס רקס והאסטרואיד בנו: מתח, יוזמה ודגימה בת 400 גרם
