Une grande équipe de chercheurs russes de Rosatom, rejoints par trois physiciens du MIPT, a modélisé l'impact d'une explosion nucléaire sur un astéroïde menaçant la Terre. Ils fabriquaient des astéroïdes miniatures et les faisaient exploser avec un laser. La technique de modélisation développée dans cette étude est un moyen d'évaluer expérimentalement des critères de destruction d'astéroïdes tels que l'énergie d'explosion nécessaire pour éliminer un objet dangereux sur une trajectoire de collision avec la Terre. La traduction anglaise de l'article présentant les résultats paraîtra dans le prochain numéro du Journal de physique expérimentale et théorique .

Les astéroïdes sont des corps célestes constitués de carbone, silicium, métal, et parfois de la glace. Les scientifiques classent généralement les objets de plus de 1 mètre comme des astéroïdes, bien que cette limite inférieure soit contestée. A l'autre bout de l'échelle, les astéroïdes peuvent atteindre 900 kilomètres de diamètre. Voyager à 20 kilomètres par seconde, de tels géants menacent d'effacer toute vie sur Terre.

Il existe deux options de base pour protéger la planète d'une collision avec un astéroïde :dont la plupart manqueront entièrement la Terre ou brûleront dans l'atmosphère. Les auteurs de l'article ont exploré la deuxième option en modélisant les effets d'une puissante onde de choc libérée par une explosion nucléaire à la surface de l'astéroïde. L'équipe de recherche a montré qu'une brève impulsion laser visant une réplique miniature d'un astéroïde produit des effets destructeurs similaires à ceux d'une explosion nucléaire sur une véritable roche spatiale. Les distributions de chaleur et de pression prédites pour l'événement réel correspondaient généralement à celles mesurées dans l'expérience à échelle réduite.

Pour Precision, les chercheurs se sont assurés que les caractéristiques des astéroïdes à petite échelle, y compris la densité, rigidité et forme, imité la vraie chose, et contrôlé les pressions des ondes de choc. Ainsi, les chercheurs avaient un moyen de calculer directement l'énergie requise d'une explosion nucléaire sur l'astéroïde réel à partir de l'énergie d'une impulsion laser détruisant la réplique miniature. Pour éliminer un astéroïde de 200 mètres, par exemple, la bombe doit fournir l'équivalent énergétique de 3 mégatonnes de TNT. L'équipe a tiré cette conclusion en utilisant une impulsion laser de 500 joules pour détruire un modèle de huit à 10 millimètres de diamètre. Par souci de comparaison, l'explosif le plus puissant jamais explosé - Tsar Bomba, ou "le roi des bombes, " construit par l'Union soviétique en 1961 - avait une production d'énergie d'environ 58,6 mégatonnes, bien que les comptes varient.

L'équipe de recherche a mis au point une technologie pour fabriquer du matériel d'astéroïde artificiel. Sa composition correspond à celle des météorites chondrites (pierreuses), qui représentent environ 90 pour cent des restes d'astéroïdes atteignant la surface de la Terre. Les propriétés de l'astéroïde modèle, y compris sa composition chimique, densité, porosité et rigidité, ont été ajustés au cours de la fabrication. Les répliques ont été réalisées à partir des données de la météorite chondrite récupérée au fond du lac Chebarkul. C'est le plus gros fragment de l'astéroïde qui est entré dans l'atmosphère terrestre en février 2013, explosant au-dessus de l'oblast de Tcheliabinsk, Russie. Le matériau de l'astéroïde a été fabriqué en utilisant une combinaison de sédimentation, compression, et chauffage, imitant le processus naturel de formation. A partir d'échantillons cylindriques, des imitations d'astéroïdes de formes diverses ont été fabriquées, parmi eux sphériques, ellipsoïdale, et cubiques.

Pour confirmer que leur modélisation laser correspond à la réalité, les chercheurs ont également effectué des calculs de débit compressible. Ils ont montré qu'un astéroïde de laboratoire de 14 à 15 ordres de grandeur moins massif que son prototype spatial nécessite presque deux fois plus d'énergie par unité de masse pour être complètement perturbé.

Les expériences ont utilisé trois dispositifs laser :Iskra-5, Luc, et Saturne. Le faisceau laser a d'abord été amplifié à une puissance prédéterminée, puis dirigé vers la réplique de l'astéroïde fixée dans une chambre à vide. La destruction du modèle a été surveillée par derrière ainsi que par le côté, et des dynamiques de fragmentation ont été enregistrées. Le laser a affecté les astéroïdes modèles pendant 0,5 à 30 nanosecondes.

Pour estimer les critères de destruction des astéroïdes, les chercheurs ont analysé les données disponibles de la météorite de Chelyabinsk. Il est entré dans l'atmosphère terrestre sous la forme d'un astéroïde de 20 mètres et s'est fracturé en petits fragments qui n'ont causé aucun dommage catastrophique. Il est donc logique de dire qu'un astéroïde de 200 mètres serait éliminé s'il était fracturé en morceaux d'un diamètre 10 fois plus petit et d'une masse 1, 000 fois plus petit que le rocher menaçant la Terre lui-même. Pour des raisons évidentes, cette conclusion ne vaut que pour un astéroïde de 200 mètres entrant dans l'atmosphère sous un angle similaire et pour des fragments voyageant le long de trajectoires similaires à celle du météore Chelyabinsk.

Les chercheurs se sont également intéressés à savoir si l'effet d'explosion est cumulatif, c'est-à-dire une explosion puissante peut-elle être remplacée par une succession de plus petites ? Ils ont constaté que plusieurs impulsions laser plus faibles ne fournissent aucun avantage significatif par rapport à une seule impulsion combinant leur puissance en termes de critère de destruction général. Ceci est valable pour les impulsions simultanées ainsi que consécutives.

Dans certaines expériences, le laser a été ciblé à l'avance sur une cavité faite dans les astéroïdes miniatures. En exploitant la cavité, les chercheurs ont dépensé moins d'énergie, à savoir, 500 au lieu de 650 joules par gramme. De la même manière, l'effet d'une bombe nucléaire enterrée devrait être plus prononcé.

Les calculs tenant compte des effets d'échelle indiquent qu'il faut une bombe de trois mégatonnes pour éliminer un astéroïde non métallique menaçant la Terre mesurant 200 mètres de diamètre. L'équipe de recherche prévoit maintenant d'étendre l'étude en expérimentant des répliques d'astéroïdes de composition différente, y compris ceux contenant du fer, nickel, et de la glace. Ils entendent également identifier plus précisément comment la forme de l'astéroïde et la présence de cavités à sa surface affectent le critère général de destruction.

"En accumulant des coefficients et des dépendances pour des astéroïdes de différents types, nous permettons une modélisation rapide de l'explosion afin que les critères de destruction puissent être calculés rapidement. À l'heure actuelle, il n'y a pas de menaces d'astéroïdes, ainsi notre équipe a le temps de perfectionner cette technique pour une utilisation plus tard dans la prévention d'une catastrophe planétaire, " déclare le co-auteur de l'étude Vladimir Yufa, professeur agrégé aux départements de Physique Appliquée et Systèmes Laser et Matériaux Structurés, MIPT. "Nous étudions également la possibilité de dévier un astéroïde sans le détruire et espérons un engagement international."