Образцы астероида Рюгу указывают на повреждения от микроскопической метеоритной бомбардировки

Снимки моделирования микрометеорной бомбардировки в разных временных масштабах со скоростью 20 км/с (a) и 300 км/с (b). Цвет точек представляет элементы серпентина следующим образом: магний (желтый), кремний (серый), кислород (красный) и водород (синий). Fs — это фемтосекунды, представляющие одну квадриллионную секунды. Автор: Shoji et al., 2024.

Астероид постоянно подвергается бомбардировке космическим мусором, и новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, предполагает, что даже микроскопические частицы могут оказывать разрушительное воздействие.

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило космический аппарат «Хаябуса-2» для проведения дистанционного зондирования и сбора образцов на астероиде в 2018 и 2019 годах. Лабораторные исследования этих образцов выявили отчетливую закономерность дегидратации филлосиликатов (пластинчатых силикатных минералов, таких как богатый магнием серпентин и сапонит), в результате которой связи между включенными атомами кислорода и водорода разрываются.

Примечательно, что доктор Дайго Сёдзи из JAXA отмечает, что микроскопические метеороиды (микрометеороиды) размером всего в 2 нанометра способны нанести ущерб Рюгу. Это происходит потому, что частицы разгоняются до высоких скоростей магнитными полями плазмы солнечного ветра, которая в основном состоит из протонов, достигающих скоростей ~400 км с ^-1.

Для оценки взаимодействия атомов кремния, магния, кислорода и водорода, входящих в состав серпентина, использовались методы моделирования вычислительной молекулярной динамики, поскольку химические реакции происходят в субнаносекундных временных масштабах (в этих экспериментах они происходят в течение одной триллионной доли секунды) — слишком быстро, чтобы их можно было наблюдать невооруженным глазом.

Доктор Сёдзи выявил около 200 разрывов кислородно-водородных связей при ударах комет со скоростью ~20 км с ^-1, но это число значительно возросло до 2000 разрывов кислородно-водородных связей (выброшенных атомов), когда наноразмерные частицы пыли ударялись со скоростью ~300 км с ^-1. Ударный кратер, образовавшийся в случае с более низкой скоростью, составил всего 4,4 нанометра (для справки, человеческий волос имеет средний диаметр 90 000 нанометров).

Другим фактором, исследованным в ходе экспериментов, было влияние температуры на выветривание Рюгу. Температура поверхности астероида ежедневно колеблется в пределах от ~310 до ~340 Кельвинов (примерно 37–67 °C) и достигает 200 Кельвинов (-73 °C), когда он не подвергается воздействию солнечного света.

Однако результаты не показали существенных изменений в дегидратации минералов, а доктор Сёдзи вместо этого определил кинетическую энергию от ударников как индуктор химических реакций, где температуры превышали 1000 Кельвинов (~727 °C). Это важный фактор, поскольку серпентин становится нестабильным при температурах выше 600 °C, что приводит к разрыву связей.

Несмотря на все это, диссоциированные атомы могут фактически рекомбинировать, образуя воду и силанольную функциональную группу (объединяющую кремний, кислород и водород), что в конечном итоге может помочь компенсировать дегидратацию, вызванную выбросом атомов во время микробомбардировки астероидов.

Больше информации: Daigo Shoji, Reactive Molecular Dynamics Simulations of Micrometeoroid Bombardment for Space Weathering of Asteroid (162173) Ryugu, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad70b0