Нет, это не головоломка Вселенной № 3; скорее, это интригующий результат недавней работы, посвященный странным формам и составу мелких астероидов.
Изображения, отправленные с космических миссий, показывают, что более мелкие астероиды не являются нетронутыми кусками камня, а вместо этого покрыты щебнем, размер которого варьируется от валунов размером в метр до пыли, похожей на муку. Действительно, некоторые астероиды, кажется, до 50% пустого пространства, предполагая, что они могут быть скоплениями щебня без твердого ядра.
Но как эти астероиды формируются и развиваются? И если нам когда-нибудь придется отклониться от него, чтобы избежать судьбы динозавров, как это сделать, не разрушая его и не увеличивая опасность?
Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс (1837–1923) при небольшой помощи Дэниела Шереса, Майкла Свифта и его коллег к спасению.
Астероиды имеют тенденцию быстро вращаться по своим осям - и сила тяжести на поверхности более мелких тел может составлять одну тысячную или даже одну миллионную часть земной массы. В результате ученым остается интересно, как щебень цепляется за поверхность. «Несколько изображений, которые мы имеем на поверхности астероидов, трудно понять с помощью традиционной геофизики», - объяснил Шеерес из Университета Колорадо.
Чтобы разобраться в этой загадке, команда - Дэниел Шерес, коллеги из Университета Колорадо и Майкл Свифт из Университета Ноттингема - тщательно изучили соответствующие силы, связанные с привязкой обломков к астероиду. Образование небольших тел в космосе включает в себя гравитацию и когезию - последнее является притяжением между молекулами на поверхности материалов. Хотя гравитация хорошо понятна, природа сил сцепления, действующих на обломках, и их относительные силы гораздо менее известны.
Команда предположила, что силы сцепления между зернами подобны тем, которые обнаруживаются в «связующих порошках», в том числе в хлебной муке, потому что такие порошки напоминают то, что было видно на поверхностях астероидов. Чтобы измерить значимость этих сил, команда рассмотрела их силу относительно гравитационных сил, присутствующих на небольшом астероиде, где сила тяжести на поверхности составляет примерно одну миллионную, чем на Земле. Команда обнаружила, что сила тяжести является неэффективной связующей силой для камней, наблюдаемых на более мелких астероидах. Электростатическое притяжение также было незначительным, за исключением случаев, когда часть астероида, освещенная Солнцем, входит в контакт с темной частью.
Вернемся назад к середине 19-го века, времени, когда существование молекул было противоречивым, и межмолекулярные силы принуждают к чистой научной фантастике (за исключением, конечно, того, чего тогда не было). Докторская диссертация Ван-дер-Ваальса дала мощное объяснение перехода между газовой и жидкой фазами в терминах слабых сил между составляющими молекулами, которые, как он предполагал, имеют конечный размер (прошло более полувека, прежде чем эти силы были поняты количественно, с точки зрения квантовой механики и атомной теории).
Ван-дер-ваальсовы силы - слабые электростатические притяжения между соседними атомами или молекулами, возникающие из-за флуктуаций положения их электронов, - похоже, добиваются цели для частиц размером менее одного метра. Размер силы Ван-дер-Ваальса пропорционален площади поверхности контакта частицы - в отличие от силы тяжести, которая пропорциональна массе (и, следовательно, объему) частицы. В результате относительная сила Ван-дер-Ваальса по сравнению с гравитацией увеличивается по мере того, как частица становится меньше.
Это может объяснить, например, недавние наблюдения Шереса и его коллег, что мелкие астероиды покрыты мелкой пылью - материалом, который, как думали некоторые ученые, будет удален солнечной радиацией. Исследование также может повлиять на то, как астероиды реагируют на «эффект YORP» - увеличение угловой скорости малых астероидов за счет поглощения солнечной радиации. Поскольку тела вращаются быстрее, эта недавняя работа предполагает, что они изгонят более крупные камни, сохраняя при этом более мелкие. Если бы такой астероид был собранием щебня, результатом мог бы стать совокупность более мелких частиц, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса.
Эксперт по астероидам Кит Холсэпл из Вашингтонского университета впечатлен тем, что команда Ширса не только оценила силы, действующие на астероид, но и посмотрела, как они меняются в зависимости от размера астероида и частиц. «Это очень важный документ, посвященный ключевой проблеме в механике малых тел Солнечной системы и механике частиц при низкой гравитации», - сказал он.
Шерер отметил, что проверка этой теории требует космического полета для определения механических и прочностных свойств поверхности астероида. «Мы сейчас разрабатываем такое предложение», - сказал он.
Источник: Физика Мира. «Масштабирующие силы для астероидных поверхностей: роль сплоченности» - препринт Шереса и соавт. (arXiv: 1002.2478), представлен для публикации в Икаре.
