Πλανητική άμυνα: Πώς η ακτινοβολία Χ από πυρηνικές εκρήξεις μπορεί να εκτρέψει αστεροειδείς

Σύνοψη

• Επιστήμονες του ερευνητικού κέντρου Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) διεξήγαγαν εξαιρετικά πολύπλοκες προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές για να εξετάσουν την αποτελεσματικότητα μιας πυρηνικής έκρηξης ισχύος 1 μεγατόνου απέναντι σε έναν αστεροειδή διαμέτρου 160 μέτρων.
• Η αναχαίτιση στο κενό του Διαστήματος δεν προκύπτει από το συμβατικό ωστικό κύμα της έκρηξης, αλλά από την τεράστια ποσότητα ακτινοβολίας Χ που εξαχνώνει βίαια την επιφάνεια του διαστημικού βράχου, μεταβάλλοντας δραστικά την κινητική του ορμή.
• Αναλύοντας παραμέτρους από πραγματικούς μετεωρίτες, οι ερευνητές ανακάλυψαν το παράδοξο της απόστασης, σύμφωνα με το οποίο μια έκρηξη στα 25 μέτρα μακριά από τον στόχο προκαλεί πιο εκτεταμένη δομική κατάρρευση συγκριτικά με μια έκρηξη στα 10 μέτρα, καθώς η ακτινοβολία καλύπτει μεγαλύτερη επιφάνεια.
• Το υπολογιστικό κόστος των προσομοιώσεων ήταν κολοσσιαίο, απαιτώντας 59 ημέρες συνεχούς επεξεργασίας από 1.680 πυρήνες αποκλειστικά για την καταγραφή των πρώτων 145 χιλιοστών του δευτερολέπτου της αλληλεπίδρασης.

Ο εντοπισμός και η παρακολούθηση των αντικειμένων που διέρχονται κοντά από τον πλανήτη μας (Near-Earth Objects - NEOs) αποτελεί έναν από τους κρισιμότερους τομείς της σύγχρονης αστροφυσικής, καθώς η πιθανότητα πρόσκρουσης ενός ουράνιου σώματος αρκετά μεγάλου για να ισοπεδώσει μια ολόκληρη μητροπολιτική περιοχή παραμένει ένας υπαρκτός και διαρκώς μελετώμενος κίνδυνος. 

Ένας διαστημικός βράχος με διάμετρο που προσεγγίζει τα 160 μέτρα διαθέτει την απαραίτητη μάζα και κινητική ενέργεια για να χαρακτηριστεί ως "City Killer", ενώ η δυσκολία στον έγκαιρο εντοπισμό τέτοιων αντικειμένων λόγω της εξαιρετικά χαμηλής ανακλαστικότητάς τους καθιστά την ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων αναχαίτισης απολύτως επιτακτική. Παρόλο που η ιδέα της χρήσης πυρηνικών όπλων για την καταστροφή ή την εκτροπή ενός αστεροειδούς προέρχεται ιστορικά από τη σφαίρα της θεωρητικής μυθοπλασίας, μια νέα μελέτη από επιστήμονες του Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) επιβεβαιώνει με αυστηρά μαθηματικά μοντέλα ότι η συγκεκριμένη προσέγγιση θα μπορούσε να αποτελέσει την πλέον αξιόπιστη γραμμή άμυνας της ανθρωπότητας.

Η διεξαγωγή δοκιμών αυτού του βεληνεκούς στο πραγματικό Διάστημα καθίσταται πρακτικά και νομικά αδύνατη, γεγονός που αναγκάζει την επιστημονική κοινότητα να στραφεί στη χρήση προηγμένων υπερυπολογιστών για τη δημιουργία ρεαλιστικών τρισδιάστατων προσομοιώσεων που αναλύουν τη συμπεριφορά των υλικών υπό συνθήκες ακραίας καταπόνησης. Η ερευνητική ομάδα σχεδίασε ένα υπολογιστικό πείραμα στο οποίο μια πυρηνική κεφαλή απόδοσης 1 μεγατόνου πυροδοτείται σε πολύ κοντινή απόσταση από έναν ασύμμετρο, πορώδη αστεροειδή, το σχήμα του οποίου βασίστηκε στα εξαιρετικά λεπτομερή τοπογραφικά δεδομένα που συνελέγησαν από το διαστημικό σκάφος της NASA κατά την επίσκεψη του στον αστεροειδή Bennu.

Η παραδοσιακή αντίληψη σχετικά με τις πυρηνικές εκρήξεις προϋποθέτει την ύπαρξη ατμόσφαιρας η οποία μεταφέρει το καταστροφικό ωστικό κύμα, όμως στο απόλυτο κενό του Διαστήματος η φυσική της καταστροφής λειτουργεί με εντελώς διαφορετικούς μηχανισμούς. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, η λύση δεν απαιτεί την προσεδάφιση στον αστεροειδή, μια διαδικασία εξαιρετικά περίπλοκη λόγω της ταχύτατης περιστροφής και της χαμηλής βαρύτητας του σώματος, αλλά την πυροδότηση της συσκευής σε απόσταση μερικών μέτρων από την επιφάνεια του. Σε μια τέτοια περίπτωση, περίπου το 70% με 80% της συνολικής ενέργειας που απελευθερώνεται από τη διάσπαση του ραδιενεργού υλικού μετατρέπεται ακαριαία σε μια σαρωτική ροή ισχυρότατης ακτινοβολίας Χ, η οποία προσκρούει με ασύλληπτη ταχύτητα στην επιφάνεια του βράχου.

Αυτή η καταιγίδα ακτινοβολίας εναποθέτει την ενέργεια της σε ένα πολύ λεπτό επιφανειακό στρώμα του αστεροειδούς, προκαλώντας μια βίαιη εξάχνωση και θερμική αφαίρεση του υλικού. Καθώς ο στερεός βράχος μετατρέπεται ακαριαία σε υπέρθερμο πλάσμα και αέρια που εκτοξεύονται στο Διάστημα, δημιουργείται μια αντίθετη δύναμη που μεταβάλλει την κινητική ορμή του αστεροειδούς, λειτουργώντας με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που η εκτόνωση των αερίων προωθεί έναν πύραυλο, ενώ ταυτόχρονα η απότομη εκτόνωση της ενέργειας δημιουργεί ένα εσωτερικό κρουστικό κύμα που διαπερνά τη μάζα του σώματος προκαλώντας εκτεταμένες ρηγματώσεις. Για να αποτυπώσουν με ακρίβεια την αντίσταση του πετρώματος, οι ερευνητές τροφοδότησαν τους αλγόριθμους με τα μηχανικά χαρακτηριστικά θραύσης δύο πραγματικών μετεωριτών που έχουν μελετηθεί εκτενώς: του μετεωρίτη του Chelyabinsk που εξερράγη πάνω από τη Ρωσία το 2013, και του μετεωρίτη Aba Panu που βρέθηκε στη Νιγηρία το 2018.

Το πλέον ενδιαφέρον εύρημα της προσομοίωσης αφορά την επίδραση που έχει η απόσταση πυροδότησης στο τελικό αποτέλεσμα της καταστροφής. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όταν η πυρηνική συσκευή εξερράγη σε απόσταση 25 μέτρων από την επιφάνεια, προκάλεσε σημαντικά πιο εκτεταμένη ζημιά στο συνολικό σώμα του αστεροειδούς σε σχέση με την έκρηξη στα 10 μέτρα, καταγράφοντας πλήρη δομική κατάρρευση στο 92,6% του υλικού μέσα σε μόλις 68 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αυτό το φαινομενικά παράδοξο αποτέλεσμα εξηγείται από τη γωνία διασποράς της ακτινοβολίας, καθώς η μεγαλύτερη απόσταση επέτρεψε στις ακτίνες Χ να φωτίσουν και να θερμάνουν ταυτόχρονα μια πολύ ευρύτερη επιφάνεια του βράχου, δημιουργώντας πολλαπλά και ευρύτερα εσωτερικά ρήγματα, ακριβώς όπως ένας φακός που απομακρύνεται από έναν τοίχο φωτίζει μεγαλύτερο εμβαδόν με ελαφρώς μειωμένη ένταση.

Οι τεχνικές προκλήσεις για την εξαγωγή αυτών των συμπερασμάτων υπήρξαν τεράστιες, αποδεικνύοντας τις τρέχουσες δυσκολίες στον τομέα της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Η λεπτομερέστερη από τις προσομοιώσεις χρειάστηκε 59 ολόκληρες ημέρες για να ολοκληρωθεί, απασχολώντας ταυτόχρονα 1.680 επεξεργαστές προκειμένου να καταγράψει ένα χρονικό παράθυρο μόλις 145 χιλιοστών του δευτερολέπτου, γεγονός που εμποδίζει προς το παρόν τους επιστήμονες από το να υπολογίσουν τη μακροπρόθεσμη μοίρα των θραυσμάτων. Η απάντηση στο ερώτημα εάν τα κομμάτια που προκύπτουν από τη διάλυση θα διασκορπιστούν ακίνδυνα στο Διάστημα, εάν θα παραμείνουν αρκετά μεγάλα ώστε να συνεχίσουν να αποτελούν απειλή κατά την είσοδο τους στην ατμόσφαιρα, ή εάν θα καταφέρουν να ανασυνταχθούν λόγω της αμοιβαίας βαρυτικής έλξης τους, παραμένει το επόμενο μεγάλο ζητούμενο της πλανητικής άμυνας, καθιστώντας αναγκαία τη συνεχή αναβάθμιση των υπερυπολογιστικών υποδομών παγκοσμίως.