Simulatie van het effect van een impact op een asteroïde. Charles El Emir/John Hopkins University

"Armageddon" in het echt: asteroïden zijn moeilijker te vernietigen dan gedacht

In films als "Armageddon" lukt het uiteindelijk altijd wel, weliswaar na enkele tegenslagen die tot nagelbijten leiden, en op het nippertje: de allesvernietigende asteroïde die op de aarde afsuist, wordt door heldhaftige astronauten en pientere wetenschappers opgeblazen, zodat er slechts ongevaarlijke gruzelementen van overblijven. In werkelijkheid zou dat best wel eens moeilijker kunnen zijn dan gedacht werd, zo blijkt uit een nieuwe studie van de Johns Hopkins University. Die studie gebruikt nieuwe inzichten in hoe rotsen barsten, en een nieuw computermodel om botsingen tussen asteroïden te simuleren. 

De bevindingen kunnen helpen bij het opstellen van strategieën om asteroïden te vernietigen of uit hun baan te duwen, leiden tot een beter begrip van de vorming van het zonnestelsel en het ontwerpen van methodes om aan mijnbouw te doen op asteroïden. 

"Tot hiertoe dachten we dat hoe groter het object, hoe gemakkelijker het zou breken, omdat grote objecten meer geneigd zijn fouten in zich te dragen. Onze bevindingen tonen echter aan dat asteroïden sterker zijn dan we tot hiertoe dachten, en dat er meer energie nodig is om ze volledig te versplinteren", zei Charles El Emir in een persmededeling van Johns Hopkins. El Emir is recent afgestudeerd als doctor aan het Department of Mechanical Engineering van de Johns Hopkins University en is de eerste auteur van de nieuwe studie.

Onderzoekers begrijpen fysische materialen zoals rotsen op laboratoriumschaal - zowat de grootte van een vuist -, maar het is moeilijk gebleken om die kennis te vertalen naar objecten met de grootte van een stad zoals asteroïden.

Begin de jaren 2000 stelde een ander team van onderzoekers een computermodel op waarin ze verschillende factoren staken, zoals de massa, de temperatuur en de breekbaarheid van het materiaal. Ze simuleerden daarmee een frontale botsing tussen een asteroïde met een diameter van een kilometer en een asteroïde van zo'n 25 kilometer, met een impactsnelheid van vijf kilometer per seconde. Uit hun resultaten bleek dat de "doelasteroïde" volledig vernietigd zou worden door de inslag. 

Een video van de Johns Hopkins University: fase 1 van het model, de impact.

Fragmenten aangetrokken door zwaartekracht

In de nieuwe studie voerden El Emir en zijn collega's hetzelfde scenario in in een nieuwe computermodel, dat het Tonge-Ramesh model genoemd wordt. Dat houdt rekening met meer gedetailleerde processen op een kleinere schaal die plaatsvinden bij een botsing tussen asteroïden. Zo houdt het bijvoorbeeld rekening met de beperkte snelheid waarmee barsten zich voortplanten in de asteroïden, iets wat eerdere modellen niet deden. 

"Onze vraag was, hoe veel energie is er nodig om een asteroïde werkelijk te vernietigen en in stukken te breken?", zei El Emir.

De simulatie werd ingedeeld in twee fasen: een fase van versplintering in een korte tijdschaal, en een fase van hernieuwde samenhoping door de zwaartekracht in een lange tijdschaal.   

De eerste fase bekeek de processen die begonnen onmiddellijk nadat de asteroïde geraakt werd, processen die plaatsvinden binnen fracties van seconden. De tweede fase over een lange tijdschaal, bekijkt de effecten van de zwaartekracht op de stukken die na de inslag van het oppervlakte van de asteroïde vliegen. Daarbij hopen de fragmenten zich opnieuw op door de zwaartekracht, in de loop van vele uren na de impact.

In de eerste fase, vlak nadat de asteroïde geraakt werd, vormden zich miljoenen barsten die door de asteroïde golfden, werden sommige stukken van de asteroïde vloeibaar als zand, en werd er een krater gevormd. Deze fase van het model onderzocht de individuele barsten, en voorspelde de algemene patronen voor hoe die barsten zich voortplanten. 

Uit het nieuwe model blijkt dat niet de hele astroïde gebroken wordt door de impact, in tegenstelling met wat eerder gedacht werd. In de plaats daarvan had de asteroïde die getroffen werd, nog steeds een grote beschadigde kern, die vervolgens door zijn zwaartekracht een sterke aantrekkingskracht uitoefende op de losse fragmenten, in de tweede fase van de simulatie. 

Een video van de Johns Hopkins University: fase 2 van het model, de fragmenten hopen zich opnieuw samen.

Geen losse hoop puin

Het onderzoeksteam kwam tot de conclusie dat het eindresultaat van de botsing niet zomaar een "hoop puin" was, een verzameling van zwakke fragmenten die losweg samengehouden werden door de zwaartekracht. In de plaats daarvan behield de getroffen asteroïde een aanzienlijke sterkte, omdat ze niet geheel  stukgebroken was. Dat wijst erop dat er meer energie nodig zal zijn om asteroïden te vernietigen. 

De beschadigde fragmenten die weggevlogen waren, werden na verloop van tijd opnieuw verdeeld over de grote overgebleven kern, wat een leidraad kan zijn voor mensen die in de toekomst aan mijnbouw zouden willen doen met asteroïden.

"Het klinkt misschien als science fiction, maar er gebeurt heel wat onderzoek naar botsingen van asteroïden. Als er bijvoorbeeld een asteroïde op de aarde afkomt, is het dan beter voor ons dat we ze in kleine stukken breken, of een duw geven om in een andere richting te gaan? En in het tweede geval, met hoeveel kracht moeten we de asteroïde raken om ze weg te duwen zonder te maken dat ze toch breekt? Dit zijn vragen waarover echt nagedacht wordt", zei El Emir. 

"We worden vrij vaak geraakt door kleine asteroïden, zoals in Tsjeljabinsk enkele jaren geleden", zei mede-auteur K.T. Ramesh. "Het is slechts een kwestie van tijd voor deze vragen niet langer louter academisch zijn, maar ons antwoord bepalen op een belangrijke bedreiging. We moeten een goed idee hebben van wat we zouden moeten doen als het zover is, en wetenschappelijke pogingen zoals deze, zijn essentieel om ons te helpen bij het nemen van die beslissingen."

De studie van El Emir en zijn collega's K.T. Ramesh, de directeur van het Hopkins Extreme Materials Institute, en Derek Richardson, professor astronomie aan de University of Maryland, wordt op 15 maart gepubliceerd in de printversie van Icarus.

De volledige foto van bovenaan: een simulatie van de impact (links bovenaan), de fragmentatie en de accumulatie van de brokstukken door de zwaartekracht in de loop van een aantal uren. Charles El Emir/John Hopkins University