Un grande team di ricercatori russi di Rosatom, affiancati da tre fisici del MIPT, ha modellato l'impatto di un'esplosione nucleare su un asteroide minaccioso per la Terra. Hanno prodotto asteroidi in miniatura e li hanno fatti esplodere con un laser. La tecnica di modellazione sviluppata in questo studio è un modo per valutare sperimentalmente criteri di distruzione di asteroidi come l'energia di esplosione necessaria per eliminare un oggetto pericoloso in rotta di collisione con la Terra. La traduzione in inglese dell'articolo che riporta i risultati apparirà nel prossimo numero del Giornale di Fisica Sperimentale e Teorica .

Gli asteroidi sono corpi celesti costituiti da carbonio, silicio, metallo, e a volte ghiaccio. Gli scienziati di solito classificano gli oggetti più grandi di 1 metro come asteroidi, sebbene questo limite inferiore sia contestato. All'altra estremità della scala, gli asteroidi raggiungono i 900 chilometri di diametro. Viaggiando a 20 chilometri al secondo, tali giganti rappresentano una minaccia di cancellare tutta la vita sulla Terra.

Ci sono due opzioni di base quando si tratta di proteggere il pianeta da una collisione con un asteroide:deve essere deviato o fatto a pezzi, la maggior parte dei quali mancherà completamente la Terra o brucerà nell'atmosfera. Gli autori dell'articolo hanno esplorato la seconda opzione modellando gli effetti di una potente onda d'urto rilasciata da un'esplosione nucleare sulla superficie dell'asteroide. Il team di ricerca ha dimostrato che un breve impulso laser puntato su una replica in miniatura di un asteroide produce effetti distruttivi simili a quelli di un'esplosione nucleare su una vera roccia spaziale. Le distribuzioni di calore e pressione previste per l'evento reale generalmente corrispondevano a quelle misurate nell'esperimento ridotto.

Per precisione, i ricercatori si sono assicurati che le caratteristiche degli asteroidi su piccola scala, compresa la densità, rigidità e forma, imitato la cosa reale, e controllava le pressioni delle onde d'urto. Così, i ricercatori avevano un modo per calcolare direttamente l'energia richiesta di un'esplosione nucleare sull'asteroide reale dall'energia di un impulso laser che distrugge la replica in miniatura. Per eliminare un asteroide di 200 metri, Per esempio, la bomba deve fornire l'equivalente energetico di 3 megatoni di TNT. Il team ha tratto questa conclusione utilizzando un impulso laser da 500 joule per distruggere un modello da otto a 10 millimetri di diametro. Per fare un confronto, il più potente esplosivo mai fatto esplodere:Tsar Bomba, o "il re delle bombe, " costruito dall'Unione Sovietica nel 1961, aveva una produzione energetica di circa 58,6 megatoni, anche se i conti variano.

Il team di ricerca ha ideato una tecnologia per la produzione di materiale per asteroidi artificiali. La sua composizione corrisponde a quella dei meteoriti condriti (pietrosi), che rappresentano circa il 90% dei resti di asteroidi che raggiungono la superficie della Terra. Le proprietà dell'asteroide modello, compresa la sua composizione chimica, densità, porosità e rigidità, sono stati regolati durante la produzione. Le repliche sono state realizzate utilizzando i dati sul meteorite condrite recuperato dal fondo del lago Chebarkul. È il più grande frammento dell'asteroide entrato nell'atmosfera terrestre nel febbraio 2013, esplodendo sull'oblast di Chelyabinsk, Russia. Il materiale dell'asteroide è stato prodotto utilizzando una combinazione di sedimentazione, compressione, e riscaldamento, imitando il naturale processo di formazione. Fuori da campioni a forma di cilindro, furono realizzati imitazioni di asteroidi di varie forme, tra questi sferici, ellissoidale, e cubici.

Per confermare che la loro modellazione laser si adatta alla realtà, i ricercatori hanno anche eseguito calcoli del flusso comprimibile. Hanno dimostrato che un asteroide da laboratorio da 14 a 15 ordini di grandezza meno massiccio del suo prototipo spaziale richiede quasi il doppio di energia per unità di massa per essere completamente distrutto.

Gli esperimenti hanno utilizzato tre dispositivi laser:Iskra-5, Luca, e Saturno. Il raggio laser è stato prima amplificato a una potenza predeterminata e quindi diretto verso la replica dell'asteroide fissata in una camera a vuoto. La distruzione del modello è stata monitorata da dietro e di lato, e le dinamiche di frammentazione sono state registrate. Il laser ha colpito gli asteroidi modello per 0,5-30 nanosecondi.

Per stimare i criteri di distruzione degli asteroidi, i ricercatori hanno analizzato i dati disponibili dal meteorite di Chelyabinsk. È entrato nell'atmosfera terrestre come un asteroide di 20 metri e si è fratturato in piccoli frammenti che non hanno causato danni catastrofici. Ha senso quindi dire che un asteroide di 200 metri verrebbe eliminato se si fratturasse in pezzi di diametro 10 volte più piccolo e massa 1, 000 volte più piccolo della roccia stessa che minaccia la Terra. Per ovvie ragioni, questa conclusione vale solo per un asteroide di 200 metri che entra nell'atmosfera con un angolo simile e per frammenti che viaggiano lungo traiettorie simili a quella della meteora di Chelyabinsk.

I ricercatori erano anche interessati al fatto che l'effetto dell'esplosione fosse cumulativo, ovvero si può sostituire una potente esplosione con una successione di più piccole? Hanno scoperto che più impulsi laser più deboli non forniscono alcun vantaggio significativo rispetto a un singolo impulso che combina la loro potenza in termini di criterio generale di distruzione. Questo vale per impulsi simultanei e consecutivi.

In alcuni esperimenti, il laser è stato mirato a una cavità creata in anticipo negli asteroidi in miniatura. Sfruttando la cavità, i ricercatori hanno speso meno energia, vale a dire, 500 invece di 650 joule per grammo. Allo stesso modo, l'effetto di una bomba nucleare sepolta dovrebbe essere più pronunciato.

I calcoli che tengono conto degli effetti di ridimensionamento indicano che ci vuole una bomba da tre megatoni per eliminare un asteroide non metallico pericoloso per la Terra di 200 metri di diametro. Il team di ricerca ora prevede di espandere lo studio sperimentando repliche di asteroidi di diversa composizione, compresi quelli contenenti ferro, nichel, e ghiaccio. Intendono inoltre identificare più precisamente come la forma dell'asteroide e la presenza di cavità sulla sua superficie influenzino il criterio generale di distruzione.

"Accumulando coefficienti e dipendenze per asteroidi di diverso tipo, consentiamo una modellazione rapida dell'esplosione in modo che i criteri di distruzione possano essere calcolati tempestivamente. Al momento, non ci sono minacce di asteroidi, quindi il nostro team ha il tempo di perfezionare questa tecnica da utilizzare in seguito per prevenire un disastro planetario, ", afferma il coautore dello studio Vladimir Yufa, professore associato presso i dipartimenti di Fisica Applicata e Sistemi Laser e Materiali Strutturati, MIPT. "Stiamo anche esaminando la possibilità di deviare un asteroide senza distruggerlo e speriamo in un impegno internazionale".