Рой прыгающих роботов сможет измерить силу тяжести на астероидах
Астрономы разработали концепцию, которая позволит в будущем исследовать внутреннее строение небольших небесных тел — спутников планет или астероидов. Для этого космический аппарат должен выпустить на поверхность рой прыгающих роботов — и тщательно замерять их прыжки. По дальности прыжков можно судить о силе тяжести в данном месте, а сделав множество таких экспериментов в разных точках — составить картину гравитационного поля малого небесного тела.
Для исследования распределения масс внутри малых космических тел (это могут быть кометы, астероиды или небольшие спутники планет) астрофизики используют в основном три техники, позаимствованные у геологов — радарную томографию, сейсмотомографию и гравиметрию. Многочисленные другие технологии разведки земных недр, вроде магнитометрии, тоже используются с разным успехом, но их сфера применения в космосе пока скромнее. Радарная техника использует отражение сигналов радара от поверхности и на небольшой глубине (обычно это электромагнитные волны радиодиапазона, которые могут проникать вглубь поверхности). Исследовать тело сильно вглубь тут не получится: к примеру, недавно при помощи радарной съёмки удалось построить геологический разрез Марса на глубину всего около 20 метров. Для сейсморазведки необходимо «просвечивать» небесное тело сейсмоволнами от естественных или искусственных источников — например, землетрясений и падающих метеоритов, а также, например, вибраций при работе марсо- или лунохода на поверхности. Но многие астероиды представляют собой фактически груды слепившегося щебня — таким является астероид Рюгу, образцы с которого недавно доставил на Землю зонд «Хаябуса-2». Сейсмические волны в подобных кучах материала распространяются плохо. Например, аппарат «Хаябуса-2», выстреливший в астероид специальным танталовым штырьком, чтобы выбить из поверхности материал для проб, а впоследствии сбросивший ещё и заряд взрывчатки с этой же целью, так и не смог зафиксировать вразумительного сейсмоотклика.
Гравиметрия — самый непосредственный из трёх способ изучения внутренней структуры небесного тела. Для неё в идеале не нужно дополнительного специального оборудования на борту космического аппарата. Зонд, обращающийся вокруг массивного тела (Луны, Земли или астероида) находится в невесомости в состоянии свободного падения. Но его ускорение в каждой точке зависит от распределения массы планеты, и в принципе для изучения гравитации достаточно аккуратно отслеживать динамику аппарата на орбите. Но это — основная задача навигационных приборов, которыми оснащён каждый космический аппарат. Именно таким образом, например, лунные орбитальные станции выявляют внутри Луны участки с более высокой плотностью материала — масконы. Трудности возникают при практической реализации сценария. Часто орбита станции находится слишком далеко от поверхности — тогда мелкие гравитационные аномалии распознать сложнее.
Новая концепция предлагает использование некоторого количества миниатюрных прыгающих роботов, которые летательный аппарат выпустит на поверхность астероида и будет фиксировать на камеру их прыжки по поверхности. Зная «силу» и направление каждого прыжка, можно отследить, как далеко в итоге прилетит мини-робот, соответственно, решив несложную задачу школьной физики, можно рассчитать силу гравитации в точке прыжка. Для сканирования больших участков или всей поверхности небесного тела роботов должно быть достаточное количество (авторы, «обкатывая» идею в статье, делают расчёты для двадцати). Главное — космический аппарат должен чётко отследить траектории всех роботов и потом решить обратную задачу гравиметрии — восстановить картину гравитационного поля небесного тела. Такая задача становится гораздо сложнее задачи по физике про дальность выстрела из пушки, и требует значительных вычислительных усилий, примерно как задачи сейсмотомографии («просвечивания» структуры Земли или другой планеты по данным о распространении сейсмоволн от многочисленных землетрясений в разных направлениях). Но авторы идеи показывают, что такая вычислительная задача для оптимального не слишком большого количества роботов хотя бы в принципе решаемая, и для неё есть необходимое программное обеспечение, разработанное NASA.
