Realistyczne symulacje pomagają rozwikłać tajemnice planetoid krążących w Układzie Słonecznym
Planetoidy są podstawowym elementem budulcowym naszego Układu Słonecznego i były w nim obecne jeszcze przed powstaniem planet. Są one pozostałością po pierwotnym procesie formowania, który miał miejsce około 4,6 miliarda lat temu i od tego czasu pozostają stosunkowo niezmienione. Naukowcy muszą dokładniej zbadać skład planetoid, procesy i oddziaływania między nimi, aby zrozumieć warunki chemiczne i fizyczne, w jakich formują się planety. Stosując analogię do miejsca zbrodni – na podstawie analizy śladów krwi (planetoid) można czasem uzyskać więcej informacji niż z oględzin ciała zamordowanej osoby (planet). Mimo prowadzenia intensywnych badań niewiele wiadomo o planetoidach. Większość dostępnych informacji pochodzi z teleskopów naziemnych. To nie wystarcza, by odtworzyć istotne właściwości, takie jak wewnętrzna struktura planetoid. Ponadto tylko nieliczne mniejsze planety – różne planetoidy, planety karłowate i obiekty pasa Kuipera – doczekały się dotychczas odwiedzin sond kosmicznych.
Więcej informacji dzięki symulacjom układów N-ciał
„Symulacje numeryczne mogą potencjalnie przyczynić się do określenia właściwości i ewolucji dynamicznej planetoid przy stosunkowo niskich kosztach. Jednak nowoczesne metody numeryczne nie są wystarczająco dokładne”, zauważa Fabio Ferrari, koordynator projektu GRAINS, który otrzymał dofinansowanie w ramach programu „Maria Skłodowska-Curie”. Celem naukowców pracujących nad projektem GRAINS było dopracowanie symulacji tak, aby dokładniej oddawały warunki rzeczywiste, i umożliwienie taniego wykorzystania już dostępnych danych badawczych. Symulacje układów N-ciał są jednymi z najdokładniejszych metod badania planetoid typu „kupka gruzu”. „Większość małych i średnich planetoid to planetoidy tego typu. Termin ten jest powszechnie używany w celu wskazania, że tworzące je odłamki skalne są związane jedynie grawitacyjnie, a nie przez uzyskanie fizycznej ciągłości materiału”, wyjaśnia Ferrari. Mają bardzo małą lub zerową wytrzymałość na rozciąganie, dlatego są nazywane zlepkami słabymi, ponieważ ich elementy składowe (głazy i kamyki) są ze sobą powiązane wzajemnymi oddziaływaniami. „Dzięki symulacjom układów N-ciał można odtworzyć scenariusze agregacji po zaburzeniach planetoidalnych i przeprowadzić badania dotyczące dynamicznej i kolizyjnej ewolucji mniejszych, spójnych fragmentów, aż do utworzenia stabilnego agregatu”. Symulacje układów N-ciał mogą przedstawiać tylko cząstki punktowe lub sferyczne i nie mogą modelować ruchu każdego pojedynczego fragmentu zgodnie z opisem mechaniki bryły sztywnej, co jest ich główną wadą. Symulacje układów wielu ciał, które modelują dynamiczny ruch cząstek ziarnistych, mogą opisywać fizyczne oddziaływania pomiędzy dużą liczbą brył sztywnych o złożonych kształtach. Metoda ta nie nadaje się jednak do modelowania interakcji wzajemnych oddziaływań.
Łączenie najlepszych sposobów
Modele dynamiki wzajemnych oddziaływań i ziarnistości opracowane przez naukowców projektu GRAINS dużo dokładniej odwzorowują rzeczywistość niż dotychczas dostępne metody. „Wykorzystaliśmy zalety obu metod w jednej numerycznej implementacji, która pomoże właściwie i dokładnie opisać równocześnie zagadnienie wzajemnych oddziaływań grawitacyjnych i ziarnistości. Po pierwsze nasze nowe narzędzie numeryczne pozwala na prowadzenie sprawnego i dokładnego modelowania oddziaływań kontaktowych / zderzeń i wzajemne oddziaływania pomiędzy dużą liczbą (setkami tysięcy) niesferycznych fragmentów”, zauważa Ferrari. Zespół projektu wdrożył nowo opracowane rozwiązanie w celu odtworzenia wielu właściwości znanych planetoid typu „kupka gruzu” (Bennu, Ryugu i Didymos). Wyniki symulacji miały bardzo dużą dokładność i rozdzielczość przestrzenną.
Dlaczego planetoidy są tak ważne?
Planetoidy nie tylko kryją w sobie odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące powstawania naszego Układu Słonecznego, lecz mogą również, jak zrozumieli naukowcy, posłużyć jako źródła paliwa dla będących w podróży statków kosmicznych. I oczywiście niektóre planetoidy mogą stanowić zagrożenie dla Ziemi. Misja AIDA ma na celu przetestowanie i zweryfikowanie modeli zderzeń oraz ustalenie czy statek kosmiczny jest w stanie skutecznie odbić planetoidę znajdującą się na kursie kolizyjnym z Ziemią.
Słowa kluczowe
GRAINS, planetoidy, symulacje, interakcje, kupka gruzu, symulacje N-ciał, ziarniste