Смотрим вооружённым глазом на (433) Эрос

Разбежавшись, прыгну со скалы
Вот я был, и вот я лечу в открытом космосе

Неизвестный астер

В этот раз посмотрим на астероид (433) Эрос. Примерно через год мы сможем по нему походить виртуальными ногами в The Expanse: Osiris Reborn. Но астероид любопытен сам по себе и даёт возможность порассуждать о колонизации подобных тел.

Первый взгляд

Фото (433) Эрос на паспорт

Астероид был открыт в 1898 году Карлом Густавом Виттом и долгое время о нём (об астероиде) было известно только 3 вещи: траектория, блеск и имя, которое ему придумал учёный.

Из-за траектории небесное тело относится к околоземным астероидам (приближаются к Земле на расстояние меньше 0.3 а.е.), к классу Амуров (астероид приближается с внешней стороны, но никогда не пересекает орбиту Земли). Блеск астероида позволял на тот момент лишь приблизительно оценить массу, размер и плотность. Приблизительно, потому что была неизвестна отражательная способность поверхности.

Имя астероида ничего не позволяло сделать, но зато нарушало традицию давать подобным объектам только женские имена.

Орбита Эроса (белый эллипс).
Очень наглядно показано наклонение орбиты астероида.

Астероид может максимально приблизиться к Земле на расстояние ~0.15 а.е. или ~22 млн. км. Заодно малое тело пересекает орбиту Марса (не буквально, а в проекции) и подвержено влиянию со стороны этой планеты. По некоторым оценкам [1] (первоисточник которых я не нашёл в открытом доступе), его орбита изменится в течение пары миллионов лет, и астероид может начать пересекать орбиту Земли и даже стать опасным для нашей планеты.

История исследования

Из-за характерной орбиты периоды активного исследования астероида совпадали с периодами его сближения с Землёй.

Сближения 1900-1 и 1930-1 годов

Астероид тут выступил скорее в качестве инструмента, а не цели исследований сам по себе. Учёные уточнили параметры орбиты Земли, измеряя параллакс астероида и уточняя параллакс Солнца (в то время это была очень важная задача, см. [2]). Также смогли оценить период собственного вращения малого тела по колебаниям наблюдаемого блеска.

Сближение 1975 года

К этому времени появились инструменты для измерения спектра даже от тусклых источников. И на этой базе разрабатывалась классификация астероидов по их химическому составу. Эрос был отправлен в категорию силикатных (кремниевых) астероидов, в S-класс.

А само сближение позволило продуктивно навести на астероид радиотелескопы, например, Goldstone Solar System Radar (GSSR). Это дало информацию для уточнения периода вращения (5.2 ч), определения линейных размеров и констатации неправильной формы тела. Вот в статье 1998 года моделируют форму астероида по наблюдениям с радиотелескопов [3]:

Пока мы боимся, что спецслужбы следят за нами, анализируя эхо от wi-fi в помещении, учёные так следят за астероидами на расстоянии 25 млн. км.

Высказывались первые предположения о строении астероида. Он монолитный, или состоит из крупных кусков, или представляет собой так называемую кучу щебня (rubble pile)? В пользу последнего варианта, например, говорила вытянутая форма астероида, которая могла получиться под действием приливных сил со стороны Земли в периоды сближения [4].

Экспедиция NEAR Shoemaker (1996-2001)

Технически это опять сближение, но есть нюанс. Учёные сами отправили экспедицию на астероид, не дожидаясь его прилёта. Цель выбрали не сразу, и по пути возникли технические шоколадки, но в 2000 году космический аппарат всё-таки достиг астероида (рекомендую прочитать про это даже просто в Википедии [5]). Уникальная экспедиция, которая заодно пролетела мимо астероида (253) Матильда из Главного пояса. Не говоря уже о том, что космический аппарат посадили на поверхность, хотя он на это не был рассчитан.

Основные данные, которые получили:

Чей туфля?
Утверждается, что примерно в таком цвете человеческий глаз увидит астероид

Поверхность с близкого расстояния. Хорошо видны камни

NEAR Shoemaker на поверхности астероида
Оказывается, у моих посадок в Kerbal Space Program был реальный прототип

Самый крупный кратер - Психея. Диаметр 5.3 км, то есть почти в половину диаметра астероида в этом разрезе. А ещё на дне кратера можно разглядеть 50 метровый "камешек"!

А это вообще (25143) Итокава (1998 SF36), куда летала Хаябуса и привезла нам грунт.
Очень похоже, правда?

Новых загадок стало только больше. Почему на астероиде валяются 100 метровые каменюки? Почему в некоторые кратеры насыпана пыль, как в бассейн? Как будто бы камни и пыль, которые образовались при столкновениях, не улетели со свистом в космос, а осели на поверхности. А я добавлю, что у этого астероида вторая космическая скорость всего порядка 10 м/с. Герой песни КиШа, разбежавшись и прыгнув с этой скалы, станет искусственным спутником астероида (печальным, но живым).

Структура астероида

После экспедиции были скорректированы прошлые представления о структуре астероида. Он оказался не кучей щебня, а более-менее устойчивым телом. Учёных до сих пор сбивает с толку комбинация параметров астероида, которые не укладываются в какую-то одну модель [6] [7]. Если не углубляться в тонкости, то вот моя выжимка, насколько я смог разобраться:

Пористость астероида немногим выше, чем у обыкновенных хондритов (20 - 26% против 0 - 15%). Что говорит об относительной монолитности тела. С другой стороны, на поверхности астероида видны тектонические структуры: полосы, борозды и 18 километровая гряда. Можно предположить, что хотя Эрос и не куча щебня, но и не цельный, а состоит из более-менее крупных обломков, которые появились и сдвигаются от столкновений с другими телами. Из-за такой  структуры при столкновениях могли возникать ударные волны, которые прокатывались по монолитным структурам, откалывали валуны в удалённых областях и измельчали кратерные структуры в пыль (мы же помним про валуны и бассейны пыли).

Да и вообще, (433) Эрос сам может оказаться осколком более крупного тела [8]. В пользу этого говорит его недолговечная орбита, крупные тектонические структуры и неравномерность покрытия кратерами и прочими следами от ударов.

Линейные тектонические структуры на (433) Эрос [8]

Красные полоски - линейные тектонические структуры - присутствуют только на одной половине астероида. Другая половина, отделенная грядой (зелёная и белые линии), их не содержит [8]

Разные модели строения астероида в зависимости от первичной структуры и степени раздробленности по мере жизни [7].
Рано или поздно все астероиды превращаются в кучу щебня.

С обыкновенными хондритами его также роднит то, что он никогда не был в расплавленной форме и не имеет дифференцированных слоёв (как более крупные тела, "расслаивающиеся" под действием собственной гравитации). Но поверхность астероида могла подвергаться термическому воздействию и космическому выветриванию.

Но этом вводная часть завершена. Дальше будет полегче, потому что мы возвращаемся в начало, в The Expanse.

Колонизация

(433) Эрос по версии создателей сериала.
Красиво, но зачем они покрасили кратеры в чёрный цвет?

Общие соображения

Быстро пробежимся по плюсам и минусам выбора (433) Эрос для создания обитаемой колонии из того, что мы узнали выше:

Мы оставили за скобками собственно целесообразность вообще какой-то колонизации. Но если перед человечеством поставили задачу: заселяй астероиды или умри, то (433) Эрос не самый плохой вариант на первом этапе.

Искусственная гравитация

По лору The Expanse для создания искусственной силы тяжести используется вращение. Малое тело раскручивают вокруг оси и ходят по внутренней поверхности, ощущая силу реакции опоры, создающую центростремительное ускорение. Конкретно (433) Эрос раскручен так, чтобы создавать силу тяжести в 30% земной. Предполагаем, что его раскручивали вдоль самой длинной оси, а заданное ускорение хотят получить у самой поверхности. Вспоминаем школьную физику и получаем следующие характеристики:

Сразу возникает вопрос: а сам астероид не развалится от таких перегрузок? Мы же помним, что Эрос пористый и, скорее всего, не монолитный. И даже если его укрепить во всех слабых местах, есть ли гарантия, что он не треснет где-то ещё? Чтобы ответить на эти вопросы, придётся вынырнуть из Пространства обратно в наш мир.

Fast Rotators

Когда теоретик придумывает какой-то экзотический космический объект, велика вероятность, что астроном его уже сфотографировал. Мы только что придумали быстровращающийся астероид, а они уже открыты, так называемые fast rotators.

Очень наглядная диаграмма скоростей вращения и диаметров малых тел.
По вертикали отложен логарифм количества оборотов в день
По горизонтали отложен логарифм диаметра астероида

Здесь я закрасил зоны для разного ц/с ускорения: красная зона > 0.1g, серая зона > 0.3g. 
(433) Эрос сейчас - жёлтый крестик. Эрос в Пространстве - красный.
Он переместился левее, потому что закручен по другой оси.

Выше приведена диаграмма Частота вращения - Диаметр для малых тел Солнечной системы [9] (для астероидов C и S класса). Видим, что подавляющее большинство астероидов вращаются частотой менее 11 об/сутки (период 2.2 часа). А упомянутые fast rotators появляются в товарных количествах лишь при уменьшении диаметра ниже ~1 км. Более того, отчётливо виден Spin Barrier - пунктирная линия на диаграмме, которая как будто ограничивает вращение крупных астероидов [9].

И это действительно барьер, пройти который может только по-настоящему монолитное каменное тело. На этой черте слабые гравитационные силы, удерживающие астероид, уже не могут сопротивляться центробежной силе, и если кроме гравитации ничего нет (химические связи, силы Ван-дер-Ваальса, etc), то тело начинает разрушаться.

Поэтому на границе барьера много бинарных астероидов (красные треугольники). Предположительно, астероид разломало на барьере, но его осколки пока не разлетелись окончательно, а продолжаются кружиться вокруг общего центра масс. Или тело стало терять вещество, из которого получился спутник.

Бинарный астероид 2017 YE5. Два камешка по 900 метров каждый

А здесь система из трёх тел.
Они не обязательно получились из-за разрыва на Spin Barrier

И возвращаясь к быстровращающимся астероидам. Если тело монолитное, то его частота вращения может достигать невероятных значений. Самые быстрые совершают оборот за десятки секунд (до 5000 оборотов в сутки). Центростремительное ускорение на поверхности при этом доходит до 0.1 - 0.5 g. Примерно то, что мы хотели бы достичь для создания искусственной силы тяжести. Но, к сожалению, крупных астероидов (больше 300 метров) с такими характеристиками пока не было достоверно открыто.

Внимательный читатель мог заметить, что мы здесь ловко проигнорировали металлические астероиды (M-класс). В целом, к ним относятся все рассуждения выше, просто они гораздо более редкий зверь, и отдельного исследования по ним я не нашёл. Но можно сказать, что если астероид M-класса был раздроблен до состояния кучи щебня (это сделать сложнее), то его минералогический состав уже неважен в рамках вопроса устойчивости к раскручиванию.

Ещё одна оговорка относится к тому, как мы вычисляем периоды вращения малых тел. В основном это делается по изменению наблюдаемого блеска. И это не самый точный метод, потому что астероиды могут быть весьма замысловатой формы. И на самом деле мы могли уже открыть большие супер-быстровращающиеся астероиды, но пока недостоверно.

Диаграмма с разными Spin Barrier для разного состава
* синяя линия - несвязанная щебёнка
* желтая линия - слабая лунная порода
* зеленая линия - прочная лунная порода
* красная линия - глина
* фиолетовая линия - камень, скала

Та же диаграмма, но испорчена моей отметкой для раскрученного (433) Эроса в виде красной пентаграммы

И буквально последняя картинка, чтобы окончательно закрыть вопрос для героя нашего повествования. Похожая диаграмма Период вращения - Радиус, но с "барьерами вращения" для астероидов разной прочности [10]. Там же нанесены последние открытия на обсерватории имени Веры Рубин. Так вот, (433) Эрос, раскрученный до периода 270 с (0.075 ч), выходит далеко за границы даже для каменного монолита.

Заключение

(433) Эрос - околоземный астероид S-класса. Хорошо изучен по сравнению с прочими малыми телами Солнечной системы, и даже был посещён космическим аппаратом. Наверное, неплохой кандидат для колонизации, если человечество придумает для этого причину.

Но не надо пытаться создавать на астероиде искусственную гравитацию вращением as is. Придётся здорово укрепить космическое тело и, возможно, проще будет построить и раскрутить что-то рядом из металла, чем играть в рулетку (буквально) с этим астероидом.

И если сами окажетесь на (433) Эрос, то не стреляйте по силовым конструкциям, а то рискуете оказаться в открытом космосе в окружении разлетающейся щебёнки. И, что хуже, тогда Эрос не сможет отправиться на своё рандеву с Венерой.

Благодарю за внимание!

Источники