Nie, to nie jest Wszechświatowa Układanka nr 3; jest to raczej intrygujący wynik ostatnich prac nad dziwnymi kształtami i kompozycją małych asteroid.
Obrazy wysłane z misji kosmicznych sugerują, że mniejsze asteroidy nie są nieskazitelnymi kawałkami skały, lecz są pokryte gruzem o wielkości od głazów o wielkości metra do przypominającego mąkę pyłu. Rzeczywiście niektóre asteroidy wydają się mieć do 50% pustej przestrzeni, co sugeruje, że mogą to być gruzowiska bez stałego rdzenia.
Ale jak te asteroidy powstają i ewoluują? A jeśli kiedykolwiek będziemy musieli odchylić jednego, aby uniknąć losu dinozaurów, jak to zrobić, nie rozbijając go i nie zwiększając niebezpieczeństwa?
Johannes Diderik van der Waals (1837–1923), z niewielką pomocą Daniela Scheeresa, Michaela Swifta i współpracowników, na ratunek.
Asteroidy mają tendencję do szybkiego wirowania wokół swoich osi - a grawitacja na powierzchni mniejszych ciał może wynosić jedną tysięczną, a nawet milionową siłę Ziemi. W rezultacie naukowcy zastanawiają się, jak gruz przylega do powierzchni. „Nieliczne zdjęcia powierzchni asteroid, które mamy, są wyzwaniem do zrozumienia przy użyciu tradycyjnej geofizyki” - wyjaśnił Scheeres z University of Colorado.
Aby dotrzeć do sedna tej tajemnicy, zespół - Daniel Scheeres, koledzy z University of Colorado i Michael Swift z University of Nottingham - dokładnie zbadali odpowiednie siły związane z wiązaniem gruzu z asteroidą. Formowanie się małych ciał w przestrzeni wymaga grawitacji i kohezji - ta ostatnia jest przyciąganiem między cząsteczkami na powierzchni materiałów. Chociaż grawitacja jest dobrze zrozumiana, natura sił kohezji działających w gruzie i ich względne siły są znacznie mniej znane.
Zespół założył, że siły kohezji między ziarnami są podobne do sił występujących w „spoistych proszkach” - które obejmują mąkę chlebową - ponieważ takie proszki przypominają to, co zaobserwowano na powierzchniach asteroid. Aby ocenić znaczenie tych sił, zespół wziął pod uwagę ich siłę w stosunku do sił grawitacyjnych obecnych na małej asteroidzie, gdzie grawitacja na powierzchni jest około jednej milionowej siły na Ziemi. Zespół odkrył, że grawitacja jest nieskuteczną siłą wiązania dla skał obserwowaną na mniejszych asteroidach. Przyciąganie elektrostatyczne było również nieznaczne, z wyjątkiem przypadków, gdy część asteroidy oświetlonej przez Słońce styka się z ciemną częścią.
Szybko cofając się do połowy XIX wieku, kiedy istnienie cząsteczek było kontrowersyjne, a siły międzycząsteczkowe to czysta fantastyka naukowa (poza tym, że wtedy nie było czegoś takiego). Praca doktorska Van der Waalsa dostarczyła mocnego wyjaśnienia przejścia między fazami gazową i ciekłą, w kategoriach słabych sił między cząsteczkami składowymi, które, jak zakładał, mają skończoną wielkość (minęło ponad pół wieku zanim te siły zostały zrozumiane , ilościowo, pod względem mechaniki kwantowej i teorii atomowej).
Siły Van der Waalsa - słabe przyciągania elektrostatyczne między sąsiadującymi atomami lub cząsteczkami, które powstają w wyniku fluktuacji pozycji ich elektronów - wydają się załatwiać cząstki o wielkości mniejszej niż około jednego metra. Wielkość siły van der Waalsa jest proporcjonalna do powierzchni styku cząstki - w przeciwieństwie do grawitacji, która jest proporcjonalna do masy (a zatem i objętości) cząstki. W rezultacie siła względna van der Waalsa w porównaniu z grawitacją wzrasta wraz ze zmniejszaniem się cząstki.
Może to wyjaśniać na przykład ostatnie obserwacje Scheeres i współpracowników, że małe asteroidy pokryte są drobnym pyłem - materiałem, który zdaniem niektórych naukowców zostanie odpędzony przez promieniowanie słoneczne. Badania mogą mieć również wpływ na reakcję asteroid na „efekt YORP” - wzrost prędkości kątowej małych asteroid przez pochłanianie promieniowania słonecznego. Ponieważ ciała wirują szybciej, ta ostatnia praca sugeruje, że wydalą większe skały, zachowując mniejsze. Gdyby taka asteroida była zbiorem gruzu, rezultatem może być agregat mniejszych cząstek utrzymywanych razem przez siły van der Waalsa.
Keith Holsapple z University of Washington, ekspert od asteroid, jest pod wrażeniem, że zespół Scheeres nie tylko oszacował siły działające na asteroidzie, ale również przyjrzał się, jak różnią się one w zależności od wielkości asteroidy i cząstek. „To bardzo ważny artykuł, który porusza kluczową kwestię w mechanice małych ciał Układu Słonecznego i mechanice cząstek przy niskiej grawitacji” - powiedział.
Scheeres zauważył, że testowanie tej teorii wymaga misji kosmicznej w celu ustalenia właściwości mechanicznych i wytrzymałościowych powierzchni asteroidy. „Opracowujemy teraz taką propozycję” - powiedział.
Źródło: Świat Fizyki. „Skalowanie sił do powierzchni asteroid: rola kohezji” jest przedrukiem Scheeres i in. (arXiv: 1002.2478), przesłane do publikacji w Icarusie.
