Przypadkowy eksperyment rzuci światło na zagadnienia fizyki zderzeń w przestrzeni kosmicznej.
Paul Hayne jest asystentem profesora nauk astrofizycznych i planetarnych na Uniwersytecie Kolorado w Boulder. Ta historia ukazała się pierwotnie w The Conversation.
4 marca 2022 roku samotny, zużyty booster rakietowy uderzy w powierzchnię Księżyca z prędkością prawie 6000 mil na godzinę. Gdy opadnie pył, należąca do NASA sonda Lunar Reconnaissance Orbiter ustawi się w odpowiednim miejscu, aby z bliska obejrzeć tlący się krater i – miejmy nadzieję – rzucić nieco światła na tajemniczą fizykę zderzeń planet.
Jako naukowiec zajmujący się badaniami planetarnymi, postrzegam to nieplanowane zderzenie jako ekscytującą okazję. Księżyc jest niezłomnym świadkiem historii Układu Słonecznego, a na jego mocno pokruszonej powierzchni zarejestrowano niezliczoną liczbę zderzeń w ciągu ostatnich 4 miliardów lat. Jednak naukowcy rzadko mają okazję przyjrzeć się pociskom – zwykle asteroidom lub kometom – które tworzą te kratery. Nie znając szczegółów tego, co spowodowało powstanie krateru, naukowcy mogą się tylko tyle nauczyć, badając taki krater.
Zbliżające się zderzenie rakiet będzie stanowić przypadkowy eksperyment, który może ujawnić wiele informacji na temat tego, jak naturalne zderzenia rozbijają i oczyszczają powierzchnie planet. Głębsze zrozumienie fizyki zderzeń pomoże naukowcom zinterpretować jałowy krajobraz Księżyca, a także skutki zderzeń na Ziemi i innych planetach.
Kiedy rakieta rozbija się na Księżycu
Od pewnego czasu trwają dyskusje na temat dokładnej tożsamości obiektu, który obecnie znajduje się na kursie kolizyjnym z Księżycem. Astronomowie wiedzą, że jest to górny stopień rakiety nośnej, wyrzucony po wystrzeleniu satelity na dużą wysokość. Ma on około 12 metrów długości i waży prawie 10 000 funtów (4 500 kilogramów). Dowody wskazują, że jest to prawdopodobnie albo rakieta SpaceX wystrzelona w 2015 r., albo chińska rakieta wystrzelona w 2014 r., ale obie strony zaprzeczyły, że są właścicielami.
Oczekuje się, że rakieta rozbije się o rozległą jałową równinę w olbrzymim kraterze Hertzsprung, tuż nad horyzontem, po odległej od Ziemi stronie Księżyca.
Chwilę po tym, jak rakieta dotknie powierzchni Księżyca, fala uderzeniowa przemieści się wzdłuż pocisku z prędkością kilku mil na sekundę. W ciągu milisekund tylna część kadłuba rakiety ulegnie zniszczeniu, a kawałki metalu eksplodują we wszystkich kierunkach.
Podwójna fala uderzeniowa powędruje w dół, w sproszkowaną wierzchnią warstwę powierzchni Księżyca, zwaną regolitem. Kompresja uderzenia spowoduje rozgrzanie pyłu i skał oraz wygenerowanie białego, gorącego błysku, który byłby widoczny z kosmosu, gdyby w tym czasie w okolicy znajdował się jakiś statek. Chmura odparowanych skał i metalu będzie się rozprzestrzeniać z miejsca uderzenia, a pył i cząstki wielkości piasku zostaną wyrzucone w górę. W ciągu kilku minut wyrzucony materiał opadnie z powrotem na powierzchnię wokół tlącego się krateru. Praktycznie nic nie pozostanie z feralnej rakiety.
Jeśli jesteś fanem kosmosu, czytając ten opis, mogłeś doświadczyć pewnego déjà vu – NASA przeprowadziła podobny eksperyment w 2009 r., gdy celowo rozbiła satelitę Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) w stale zacienionym kraterze w pobliżu bieguna południowego Księżyca. Brałem udział w misji LCROSS, która zakończyła się ogromnym sukcesem. Badając skład pióropusza pyłu unoszącego się w świetle słonecznym, naukowcy byli w stanie znaleźć ślady kilkuset funtów lodu wodnego, który został uwolniony z powierzchni Księżyca w wyniku uderzenia. Był to kluczowy dowód na poparcie tezy, że od miliardów lat komety dostarczają wodę i związki organiczne na Księżyc, gdy rozbijają się o jego powierzchnię.
Ponieważ jednak krater rakiety LCROSS jest stale zasłonięty przez cień, moi koledzy i ja przez dekadę zmagaliśmy się z ustaleniem głębokości tej bogatej w lód warstwy.
Obserwacje za pomocą sondy Lunar Reconnaissance Orbiter
Przypadkowy eksperyment związany z nadchodzącą katastrofą da naukowcom planetarnym szansę na obserwację bardzo podobnego krateru w świetle dnia. Będzie to tak, jakbyśmy po raz pierwszy zobaczyli krater LCROSS w najdrobniejszych szczegółach.
Ponieważ zderzenie nastąpi na dalekiej stronie Księżyca, będzie ono poza zasięgiem ziemskich teleskopów. Jednak około dwa tygodnie po uderzeniu, należący do NASA Lunar Reconnaissance Orbiter zacznie dostrzegać krater, ponieważ jego orbita przeniesie go nad strefę uderzenia. Gdy warunki będą odpowiednie, kamera księżycowego orbitera zacznie robić zdjęcia miejsca uderzenia z rozdzielczością około 1 metra na piksel. Orbitery księżycowe innych agencji kosmicznych również mogą skierować swoje kamery na krater.
Kształt krateru oraz wyrzuconego pyłu i skał pozwoli określić, w jakim położeniu znajdowała się rakieta w momencie uderzenia. Pionowa orientacja spowoduje powstanie bardziej okrągłego krateru, podczas gdy asymetryczny układ odłamków może wskazywać na uderzenie w brzuch. Modele sugerują, że krater może mieć średnicę od około 30 do 100 stóp i głębokość od 6 do 10 stóp.
Cenną informacją będzie również ilość ciepła wytworzonego w wyniku uderzenia. Jeśli obserwacje zostaną przeprowadzone wystarczająco szybko, istnieje możliwość, że instrument podczerwieni księżycowego orbitera będzie w stanie wykryć świecący, gorący materiał wewnątrz krateru. Można to wykorzystać do obliczenia całkowitej ilości ciepła powstałego w wyniku uderzenia. Jeśli orbiter nie będzie w stanie uzyskać wystarczająco szybkiego widoku, do oszacowania ilości stopionego materiału w kraterze i polu szczątków będzie można użyć zdjęć o wysokiej rozdzielczości.
Porównując obrazy z kamery i czujnika ciepła orbitera przed i po, naukowcy poszukają innych subtelnych zmian na powierzchni. Niektóre z tych efektów mogą rozciągać się na setki razy większy promień niż promień krateru.
Dlaczego to jest ważne
Uderzenia i powstawanie kraterów są zjawiskiem wszechobecnym w Układzie Słonecznym. Kratery rozbijają i fragmentują skorupę planetarną, stopniowo tworząc luźną, ziarnistą warstwę wierzchnią, występującą na większości światów pozbawionych powietrza. Jednak ogólna fizyka tego procesu jest słabo poznana, mimo że jest on tak powszechny.
Obserwacja zbliżającego się uderzenia rakiety i powstałego krateru może pomóc naukowcom zajmującym się badaniem planet lepiej zinterpretować dane z eksperymentu LCROSS z 2009 roku i stworzyć lepsze symulacje uderzenia. W związku z tym, że w najbliższych latach na Księżyc planowana jest prawdziwa falanga misji, wiedza o właściwościach powierzchni Księżyca – zwłaszcza o ilości i głębokości zakopanego lodu – jest bardzo potrzebna.
Niezależnie od tożsamości tej rakiety, to rzadkie zderzenie dostarczy nowych informacji, które mogą okazać się kluczowe dla powodzenia przyszłych misji na Księżyc i nie tylko.