«Нежный» ядерный взрыв: как отклонить астероид от Земли?
В 2013 году над Челябинской областью взорвался небольшой астероид. Взрыв и его последствия привели к тому, что более тысячи людей обратились за помощью в больницу, в основном из-за вылетевших из окон стекол. Челябинский метеорит был довольно небольшим куском летающей в космосе скалы — исследователи астероидов полагают, что в поперечнике он составлял 20 метров, — но взрыв над городом сделал это событие довольно примечательным. Землю постоянно поражает много подобных астероидов, но они, как правило, не летают над городскими зонами; чаще падают в океан или малонаселенных зонах.
Впрочем, раньше Земля уже становилась мишенью в космическом дартсе. Аризонский кратер, Тунгусский метеорит в Сибири в 1908 году и астероид Чиксулуб в Мексике (который сыграл роль в вымирании динозавров) — это только три из множества известных примеров. По этой причине многие люди задумываются о возможных вариантах планетарной защиты: уничтожать проходящие мимо астероиды прежде, чем они попадут в Землю. Планетарная защита также является одной из причин, по которым Национальная администрация США по ядерной безопасности (NNSA) не торопится уничтожать избыточные запасы ядерных боеголовок.
Можно цинично осуждать американскую политику ядерного оружия, особенно спустя многие десятилетия по окончании холодной войны. Дебаты о ядерной зиме, системах гарантированного ядерного возмездия и прочих сложных вещах понемногу отходят в сторону. Wall Street Journal и другие источники получили доступ к информации о планах взрывать астероиды ядерными боеголовками, и эти данные могут свести на нет необходимость преждевременного уничтожения ядерного оружия, увы и ура.
Есть масса причин, чтобы сомневаться в мудрости подобной стратегии, но оказывается, что первое впечатление обманчиво — и об этом говорят многие авторитетные эксперты. Оказывается, уничтожить астероид не так-то и сложно. Оснований для циничных высказываний по поводу использования ядерного оружия тоже станет меньше, когда мы разберемся подробнее. Несмотря на оставшиеся открытые вопросы и ожесточенные споры по поводу планетарной защиты, чтобы увидеть полную картину, необходимо взглянуть на риски столкновения с астероидами, определить, что мы о них знаем, и прояснить дальнейшие перспективы. Давайте выясним, могут ли накопленные ядерные запасы пригодиться землянам в защите от астероидов.
Смерть с небес
Большинство астероидов и мелких камней, которые мы называем метеороидами, остаются угрозами челябинского масштаба, но существуют камни и побольше — причем не все из них находятся так уж далеко. Хотя многие крупные астероиды расположены в поясе астероидов между Марсом и Юпитером, ученые определили довольно большое число околоземных астероидов, из которых 1563 обозначены как «потенциально опасные». Околоземные астероиды — это астероиды, которые вращаются в диапазоне чуть ближе Марса к нам. И хотя многие из этих объектов часто обращаются вокруг Земли — группы астероидов «Аполлон» и «Афина» — лишь немногие крупные их представители приближаются к нам время от времени. И ни один из них не представляет для нас угрозы прямо сейчас. В конце концов, Солнечная система — довольно обширное место, а сама Земля — относительно небольшая.
По этой причине эксперты расходятся во мнении, как сильно нам стоит переживать о возможном падении (или нападении) астероидов. В ближайшие несколько десятилетий риск крайне низок, но даже от небольших столкновений потенциальный ущерб довольно высок, так что подумать о возможном его предотвращении лишним не будет. Уничтоживший динозавров астероид Чиксулуб мог быть всего 10 километров в поперечнике, но для создания серьезного хаоса сгодится и астероид поменьше.
Так что, если смотреть в перспективе, опасность никуда не девается. Гравитация Юпитер и (в меньшей степени) Сатурна может выталкивать астероиды из главного пояса. Некоторые из них выбрасываются из Солнечной системы совсем или падают на Солнце, другие же в конечном итоге выходят на меньшие орбиты, где могут стать новыми околоземными астероидами. Скорость, с которой газовые гиганты создают такие объекты, может быть невысокой, но мы должны постоянно наблюдать за этим процессом. Если мы определим сейчас астероид, который выйдет на курс столкновения с Землей, скажем, в ближайшие 30 лет, у нас будет время подготовиться раньше.
«У динозавров не было космической программы и телескопов, и посмотрите, что с ними случилось, — говорит Алессондра Спрингманн, планетолог, изучающий астероиды в Аризонском университете. — Надеюсь, мы найдем астероиды прежде, чем они найдут нас».
Исследователи астероидов также хотели бы найти их, поскольку исследуют структуру околоземных астероидов. «Планеты формируются из тех же вещей, из которых образуются астероиды, — говорит Спрингманн. — Но планеты нагревались, плавились, у них появлялись особенности, у Венеры, Земли и Марса даже появилась атмосфера». Астероиды, в отличие от них, остались нетронутыми: «Это хороший источник информации о том, как образовалась Солнечная система». Околоземные астероиды особенно хорошо подходят для изучения этого, поскольку находятся близко к нам. Нам даже не нужно отправлять летающие зонды (или даже людей) за орбиту Марса, чтобы их исследовать.
Одно из увлекательных открытий, сделанных в рамках первых исследований околоземных астероидов, было таким: «Порядка 15 процентов околоземных астероидов больше 200 метров обладают лунами», — говорит Спрингманн. Измеряя орбиты этих спутников, ученые могут найти массу астероидов, на орбитах которых те вращаются, используя третий закон Кеплера (так же, как астрономы измеряют массу Солнца или Юпитера). Сочетая массу с радиолокационными измерениями размеров околоземных астероидов, астрономы получают общую плотность астероидов.
Оказывается, многие астероиды представляют собой так называемые гравитационные агрегации: собрания небольших камешков и гранул, скрепленных гравитацией и молекулярными силами, статическим электричеством. Некоторые чуть плотнее воды и напоминают скорее «собрания пенополистирола, а не большие камни», говорит Спрингманн.
Природа агреграции обладает интересными свойствами. Согласно нашего теоретического понимания этих тел, солнечный свет может нагревать одну сторону таких астероидов больше, чем другую, тем самым ускоряя их вращения, пока они буквально не развалятся. Иногда они рассыпаются полностью, а иногда крупный кусок образует спутник, луну, которую наблюдали астрономы. Возможно, мы могли бы использовать этот эффект солнечного света, чтобы направить астероиды прочь от Земли.
Вот почему вся эта информация невероятно актуальна для планетарной защиты. Гравитационные агрегации требуют иных методов разрушения, нежели твердые, каменистые, монолитные астероиды, и то, что они являются сборными, не означает, что их легко разбить. «Если вы разобьете астероид и он развалится, вполне возможно, что при наличии достаточного времени он соберется снова», — говорит Кристина Томас из Центра управления космическими полетами Годдарда при NASA. Инструмент, который нам нужен, это скорее метафорическая лопата, нежели молоток.
Конечно, даже если мы успешно разобьем астероид на кусочки, мы должны убедиться, что эти части не поразят нас и не вызовут столько же разрушений, сколько мог оригинал астероида. Как показали фильмы вроде «Армагеддона», использовать ядерное оружие, чтобы разнести астероид в пух и прах, может быть не лучшей идеей. Конечно, она остается жизнеспособной, но ее стоит отложить до тех пор, пока не будут испробованы менее рискованные варианты. И что самое удивительное, есть другое возможное использование ядерного оружия, менее рискованное.
Планетарная защита
Меган Брук Сиал — одна из тех, кто ищет более точные стратегии по смягчению последствий приближения астероидов: например, использование некоторой тяжелой массы в виде «кинетического ударника» или ядерного взрыва, чтобы нежно подтолкнуть астероид с курса. В обоих случаях идея одна и та же. Поскольку Земля представляет собой относительно небольшую цель по сравнению с обширным пустым пространством в Солнечной системе, даже небольшое изменение в орбите астероида приведет к тому, что он пролетит мимо, если, конечно, мы вмешаемся вовремя.
Зонд Deep Impact в свое время сыграл роль первой версии этого эксперимента, когда врезался в комету Темпель-1 в виде 370-килограммовой медной пули, оснащенной датчиками. Эта комета значительно больше, чем большинство опасных околоземных астероидов, поэтому толчок пули был меньше, чем мог быть, выбери она цель поменьше.
Сиал говорит следующее: «Если у вас есть хотя бы 10 лет в запасе, вы должны рассчитывать на изменение скорости порядка сантиметра в секунду». Хотя это небольшой показатель, сложность в его достижении возрастает с размерами астероида. «Иногда кажется необходимым использование ядерного устройства просто потому, что текущие ракеты-носители просто неспособны перевозить достаточно массы, чтобы доставить кинетический ударник, который был бы в состоянии отклонить курс объекта».
На Земле большая часть ущерба от ядерного взрыва происходит от ударных волн и тепла, проходящего через воздух, но в космосе это не работает. Вместо этого, Сиал и ее коллеги предлагают «ядерную абляцию». Она включает взрыв ядерной бомбы в нескольких сотнях метров от астероида. В отсутствие воздуха, который стал бы переносчиком ударной волны, продуктами взрыва будут высокоэнергетические гамма-лучи и нейтроны, которые обрушатся на материал поверхности и разогреют его. Энергетические частицы будут в состоянии испарить часть материала и выбить электроны из атомов, создав тем самым горячую плазму, которая отправит часть частиц в космос. Если все пойдет как запланировано, плазма сработает как ракетный ускоритель, изменив как орбиту астероида, так и его вращение.
Чтобы стратегия ядерной абляции сработала, исследователи планетарной защиты должны знать все о поверхностях, интерьерах и скорости вращения астероидов. Гравитационные агрегации могут быть внутри как пенополистирол, но их поверхность чаще покрыта гранулированным материалом — реголитом. Лунный реголит состоит из крайне мелких частиц и о нем мы хорошо знаем, чего нельзя сказать о покрытых реголитом астероидах. Изучением этого займутся несколько грядущих миссий космических зондов, в том числе «Хаябуса-2», летящий к 1999 JU3, и OSIRIS-Rex, который будет изучать объект Бенну — у него есть небольшой шанс врезаться в Землю в ближайшие 200 лет.
OSIRIS-Rex предоставит много данных о том, как солнечный свет влияет на поверхность астероида — крайне важную информацию для понимания последствий ядерного взрыва — а также вернет образцы на Землю. Еще более полезную информацию предоставит «Хаябуса-2». Кристина Томас говорит, что «Хаябуса-2» везет с собой взрывоопасный полезный груз, который будет взорван над поверхностью 1999 JU3 с целью изучения реакции объекта. Взрыв будет недостаточно мощным, чтобы свести астероид с орбиты, но данные о взрыве будут тщательно собраны в рамках миссии зонда и будут весьма полезны.
Политика против науки
Ядерная абляция — лишь малая часть стратегии по борьбе с астероидами. Сиал работает в Ливерморской национальной лаборатории на полной ставке, и в числе ее исследований также баллистические обстрелы для отклонения астероида от его курса. Коллега Сиал Пол Миллер возглавляет работы по ядерной абляции, работая совместно с NASA и рядом университетов, но все равно эти усилия включает относительно мало людей, а все исследования сводятся преимущественно к компьютерному моделированию.
Аргументы в пользу ядерной абляции достаточно понятны. В первую очередь у нас уже есть ракеты, которые будут заниматься этим, а именно переработанные баллистические ракеты. Ракета Minotaur V, которая проводила эксперимент LADEE на Луне, была создана на основе такой вот ядерной ракеты, и это отличный пример перековки мечей в орало.
Тем не менее в таком подходе есть существенные ограничения, в том числе и политика ядерного оружия. В настоящее время, благодаря Конвенции о запрещении испытаний ядерного оружия от 1963 года, мы даже не можем проводить эксперименты по ядерной абляции. Конвенция запрещает взрывы ядерных устройств в космосе. И хотя многие страны мира сделали бы исключения, например, для США, если бы Земле угрожал астероид, другие страны могут по праву задаться вопросом, почему США сохраняют запас боеголовок для непонятных целей в неизвестном будущем.
Проблема в том, что нам сложно отделить реальную науку от политики, особенно в случае с ядерным оружием. Это не значит, что мы не сможем решить этот вопрос. Но было бы крайне глупо дожидаться определенной и веской причины и сидеть сложа руки перед лицом возможной угрозы со стороны холодного космоса.