Астероїди — джерела небезпеки і об’єкти досліджень

NASA/JPL-Calteh/UCLA

Ілюстрація: ESA/AOES Medialab

Сонячну систему сприймають зазвичай як порожній простір, в якому кружляють вісім планет, деякі — зі своїми супутниками. Хтось згадає про декілька малих планет, до яких нещодавно приписали Плутон, про пояс астероїдів, про метеоритів, що іноді падають на Землю, і про комети, зрідка прикрашають небосвід. Це уявлення цілком справедливе: жоден з численних космічних апаратів не постраждав від зіткнення з астероїдом або кометою, — космос досить просторий.

І тим не менш у величезному обсязі Сонячної системи містяться не сотні тисяч і не десятки мільйонів, а квадрильйони (одиниці з п’ятнадцятьма нулями) космічних тіл різних розмірів і мас. Всі вони рухаються і взаємодіють за законами фізики і небесної механіки. Частина їх утворилася в самому ранньому Всесвіті і складається з її первозданної речовини, і це цікаві об’єкти астрофізичних досліджень. Але є дуже небезпечні тіла — великі астероїди, зіткнення яких із Землею здатне погубити на ній життя. Відстеження та ліквідація астероїдної небезпеки — не менш важливий і захоплюючий напрямок роботи астрофізиків.

Історія відкриття астероїдів

Перший астероїд виявив у 1801 році Джузеппе Піазі, директор обсерваторії в Палермо (Сицилія). Він назвав його Церера і спочатку вважав малою планетою. Термін «астероїд», у перекладі з давньогрецької — «подібний до зірки», запропонував астроном Вільям Гершель (див. «Наука і життя» № 7, 2012 р., стаття «Казка про музиканта Вільяма Гершеля, який розширив космос удвічі»). Церера і аналогічні об’єкти (Паллада, Юнона і Веста), відкриті в наступні шість років, були видні як точки, а не як диски у разі планет; Водночас, на відміну від нерухомих зірок, вони рухалися подібно до планет. Слід зазначити, що спостереження, в результаті яких були відкриті ці астероїди, велися цілеспрямовано в спробах виявити «зниклу» планету. Справа в тому, що вже відкриті планети розташовувалися на орбітах, що відстоять від Сонця на відстанях, що відповідають закону Боді. Згідно з ним між Марсом і Юпітером повинна була знаходитися планета. Як відомо, планети на такій орбіті не знайшлося, зате приблизно в цьому районі пізніше виявили пояс астероїдів, названий головним. До того ж і закон Боді, як виявилося, не має будь-якого фізичного обґрунтування і розглядається в даний час просто як якесь випадкове поєднання чисел. Більш того, відкритий пізніше (1848) Нептун опинився на орбіті, з ним не узгоджується.

Після відкриття чотирьох згаданих астероїдів подальші спостереження за вісім років не призвели до успіху. Їх припинили через Наполеонівські війни, під час яких згоріло містечко Лілієнталь поблизу Бремена, де проходили засідання астрономів — мисливців за астероїдами. Відновилися спостереження в 1830 році, але успіх прийшов лише в 1845-му з відкриттям астероїда Астрея. З цього часу астероїди почали відкривати з частотою не менше одного на рік. Більша їх частина належить до головного поясу астероїдів, між Марсом і Юпітером. До 1868 року налічувалося вже близько сотні відкритих астероїдів, до 1981-го — 10 000 і до 2000-го — понад 100 000.

Десять астероїдів, розташовані в порядку їх відкриття. Для наочності астероїди показані в масштабі кружечками відповідного розміру на тлі кола з діаметром Місяця. NASA

Хімічний склад, форма, розміри та орбіти астероїдів

Якщо класифікувати астероїди по їх відстані від Сонця, то в першу групу потрапляють вулканоїди — якийсь гіпотетичний пояс малих планет між Сонцем і Меркурієм. Жодного об’єкта з цього поясу досі не виявлено, і хоча на поверхні Меркурія спостерігаються численні кратери ударного походження, утворені падінням астероїдів, це не може служити доказом існування зазначеного поясу. Раніше наявністю там астероїдів намагалися пояснити аномалії в русі Меркурія, але потім їх пояснили на основі обліку релятивістських ефектів. Так що остаточну відповідь на питання про можливу присутність Вулканоїдів поки не отримано. Далі йдуть навколоземні астероїди, що належать чотирьом групам.

Ліворуч: атіри — астероїди, орбіта яких повністю знаходиться всередині орбіти Землі. Праворуч: атони — астероїди, чия відстань від Сонця в афелії більше перигелійної відстані Землі, але велика напівось менше земної, тобто їх орбіти майже повністю (або цілком) знаходяться всередині орбіти Землі. © AndrewBuck/Wikimedia Commons/CC-BY-SA і © Kaidor/Wikimedia ComMons/ComBons/CA A.

Астероїди головного поясу рухаються по орбітах, що знаходяться між орбітами Марса і Юпітера, тобто на відстанях від 2,1 до 3,3 астрономічної одиниці (а.є.) від Сонця. Площини їх орбіт знаходяться поблизу екліптики, їх нахилення до екліптики лежить в основному до 20 градусів, доходячи у деяких до 35 градусів, ексцентриситети — від нуля до 0,35. Очевидно, що першими були відкриті найбільші і яскраві астероїди: середні діаметри Церери, Паллади і Вести дорівнюють 952, 544 і 525 кілометрам відповідно. Чим менший розмір астероїдів, тим їх більше: лише 140 астероїдів головного поясу зі 100 000 мають середній діаметр понад 120 кілометрів. Сумарна маса всіх його астероїдів відносно невелика, складаючи всього близько 4% маси Місяця. Найбільший астероїд — Церера — має масу 946· 1⁰¹5 тонн. Сама по собі величина здається дуже великою, але це всього лише 1,3% маси Місяця (^{735· 10}17 тонн). У першому наближенні розмір астероїда можна визначити за його яскравістю і за відстанню від Сонця. Але треба враховувати і відображальні характеристики астероїда — його альбедо. Якщо поверхня астероїда темна, світиться він слабший. Саме в силу цих причин у списку десяти астероїдів, розташованих на малюнку в порядку їх відкриття, третій за розмірами астероїд Гігея знаходиться на останньому місці.

Ліворуч: аполлони рухаються по орбітах з відстанню від Сонця в перигелії менше афелійної відстані Землі і з великою напівіссю, що перевищує астрономічну одиницю. Праворуч: амури — астероїди, у яких відстань від Сонця в афелії більше афелійної відстані Землі, але не перевищує 1,3 о.о. (о.є. дорівнює 149 мільйонам кілометрів — середній відстані Землі від Сонця). © AndrewBuck/Wikimedia Commons/CC-BY-SA

На малюнках, що ілюструють головний астероїдний пояс, як правило, показують безліч булижників, які рухаються досить близько один до одного. Насправді картина досить далека від дійсності, оскільки, взагалі кажучи, невелика сумарна маса поясу розподілена за його великим обсягом, так що простір досить порожній. Всі запущені до теперішнього часу за межі орбіти Юпітера космічні апарати пролетіли крізь астероїдний пояс без відчутного ризику зіткнення з астероїдом. Однак за мірками астрономічного часу зіткнення астероїдів один з одним і з планетами вже не виглядають настільки малоймовірними, про що можна судити за кількістю кратерів на їх поверхнях.

Троянці — астероїди, що рухаються вздовж орбіт планет, перший з яких виявив у 1906 році німецький астроном Макс Вульф. Астероїд рухається навколо Сонця по орбіті Юпітера, випереджаючи його в середньому на 60 градусів. Далі було відкрито цілу групу небесних тіл, що рухаються попереду Юпітера.

Троянські астероїди Юпітера включають дві групи: випереджаючі Юпітер (греки) і рухомі слідом за ним (троянці). © Skrab/Wikimedia Commons/CC-BY-SA

Спочатку вони отримували імена на честь героїв легенди про троянську війну, які воювали на боці тих, хто осаджував Трою греків. Крім випереджаючих Юпітер астероїдів існує група астероїдів, що відстають від нього приблизно на той же кут; вони були названі троянцями на честь захисників Трої. Зараз астероїди обох груп називають троянцями, і вони рухаються в околиці точок Лагранжа L4 і _L5, точок стійкого руху в завданні трьох тіл. Небесні тіла, що потрапили в їхні околиці, здійснюють коливальний рух, не йдучи занадто далеко. З нез’ясованих поки причин астероїдів, що випереджають Юпітер, приблизно на 40% більше, ніж відстаючих. Підтвердили це виконані зовсім недавно американським супутником NEOWISE вимірювання за допомогою 40-сантиметрового телескопа, забезпеченого детекторами, що працюють в інфрачервоному діапазоні. Вимірювання в ІК-діапазоні суттєво розширюють можливості вивчення астероїдів порівняно з тими, що дає видиме світло. Про їх ефективність можна судити за кількістю астероїдів і комет Сонячної системи, внесених у каталоги за допомогою NEOWISE. Їх налічується понад 158 000, і місія апарату триває. Цікаво, що троянці помітно відрізняються від більшої частини астероїдів головного поясу. Вони мають матову поверхню, червонувато-коричневатий колір і відносяться в основному до так званого D-класу. Ці астероїди з дуже низьким альбедо, тобто зі слабко відбиваючою поверхнею. Подібні їм можна знайти тільки в зовнішніх областях головного поясу.

Точки Лагранжа

Троянці є не тільки у Юпітера; інші планети Сонячної системи, включаючи Землю (але не Венеру і Меркурій), також супроводжують троянці, що групуються в околиці їх точок Лагранжа L₄, L₅. Астероїд-троянець Землі 2010 TK7 відкрили за допомогою телескопа NEOWISE зовсім недавно — в 2010 році. Він рухається, випереджаючи Землю, при цьому амплітуда його коливань близько точки L₄ дуже велика: астероїд досягає точки, протилежної Землі в русі навколо Сонця, і незвично далеко виходить з площини екліптики.

Настільки велика амплітуда коливань призводить до можливого його зближення з Землею аж до 20 мільйонів кілометрів. Однак зіткнення з Землею, принаймні в найближчі 20 000 років, повністю виключено. Рух земного троянця сильно відрізняється від руху троянців Юпітера, які не залишають на настільки значні кутові відстані свої точки Лагранжа. Такий характер руху робить скрутними місії до нього космічних апаратів, оскільки внаслідок значного нахилення орбіти троянця до площини екліптики для досягнення астероїда з Землі і посадки на нього потрібні занадто висока характеристична швидкість і, отже, великі витрати палива.

Пояс Койпера лежить за межами орбіти Нептуна і простягається аж до 120 а. е. від Сонця. Він близький до площини екліптики, населений величезним числом об’єктів, що включають до свого складу водяний лід і замерзлі гази, і служить джерелом так званих короткоперіодичних комет. Перший об’єкт з цієї області був виявлений в 1992 році, а до теперішнього часу їх відкрито вже більше 1300. Оскільки небесні тіла пояса Койпера розташовані дуже далеко від Сонця, їх розміри визначити важко. Робиться це на базі вимірювань яскравості відбитого ними світла, а точність розрахунку залежить від того, наскільки добре ми знаємо величину їх альбедо. Вимірювання в інфрачервоному діапазоні набагато надійніше, оскільки дають рівні власного випромінювання об’єктів. Такі дані були отримані космічним телескопом Спітцер (Spitzer) для найбільш великих об’єктів поясу Койпера.

Пояс Койпера розташований за орбітою Нептуна. © Малюнок Зої Флорінської

Один з найцікавіших об’єктів поясу — Хаумеа (Haumea), названий на ім’я гавайської богині родючості і дітонародження; він є частиною сімейства, що утворився в результаті зіткнень. Цей об’єкт, мабуть, зіткнувся з іншим, розміром вдвічі меншим. Удар призвів до розкиду великих крижаних шматків і викликав обертання Хаумеа з періодом близько чотирьох годин. Настільки швидке обертання додало йому форму м’яча для американського футболу або дині. Хаумеа супроводжують два супутники — Хіїака (Hi’iaka) і Намака (Namaka).

Цікавий об’єкт поясу Койпера — Хаумеа із супутниками Хіїака і Намака. © A. Feild (Space Telescope Science Institute)

Згідно з прийнятими до теперішнього часу теоріями, близько 90% об’єктів поясу Койпера рухаються по віддалених кругових орбітах за орбітою Нептуна — там, де вони утворилися. Кілька десятків об’єктів цього поясу (їх називають кентаврами, оскільки залежно від відстані до Сонця вони проявляють себе як астероїди, так і комети), можливо, утворилися в більш близьких до Сонця областях, а потім гравітаційний вплив Урану і Нептуна перевів їх на високі еліптичні орбіти з афеліями аж до 200 о.о. і великими нахилами. Вони утворили диск товщиною 10 о.о., але насправді зовнішня кромка поясу Койпера досі не визначена. Ще зовсім недавно Плутон і Харон розглядали як єдині приклади найбільших об’єктів крижаних світів у зовнішній частині Сонячної системи. Але 2005 року було відкрито ще одне планетне тіло — Еріда (на ім’я грецької богині розбрату), діаметр якого трохи менше діаметра Плутона (спочатку припускали, що воно на 10% більше). Еріда рухається по орбіті з перигелієм 38 о.о. та афелієм 98 о.о. У неї є невеликий супутник — Дисномія (Dysnomia). Спочатку Еріду планували вважати десятою (слідом за Плутоном) планетою Сонячної системи, але потім замість цього Міжнародний астрономічний союз виключив Плутон зі списку планет, утворивши новий клас, названий карликовими планетами, куди увійшли Плутон, Еріда і Церера. Передбачається, що в поясі Койпера знаходяться сотні тисяч крижаних тіл з поперечником 100 кілометрів і не менше трильйона комет. Однак ці об’єкти в основному порівняно невеликі — 10-50 кілометрів в поперечнику — і не дуже яскраві. Період їх обігу близько Сонця становить сотні років, що сильно ускладнює їх виявлення. Якщо погодитися з припущенням, що всього близько 35 000 об’єктів поясу Койпера мають діаметр більше 100 кілометрів, то їх загальна маса в кілька сотень разів перевищує масу тіл такої величини з головного астероїдного поясу. У серпні 2006 року повідомлялося, що в архіві даних щодо вимірювання рентгенівського випромінювання нейтронної зірки Скорпіон Kh-1 виявлені її затемнення невеликими об’єктами. Це дало підставу стверджувати, що число об’єктів поясу Койпера розмірами близько 100 метрів і більше становить приблизно квадрильйон (1⁰¹5). Спочатку, на більш ранніх стадіях еволюції Сонячної системи, маса об’єктів поясу Койпера була багато більше, ніж тепер, — від 10 до 50 мас Землі. Зараз сумарна маса всіх тіл пояса Койпера, а також розташованого ще далі від Сонця хмари Оорта багато менше маси Місяця. Як показує комп’ютерне моделювання, майже вся маса первозданного диска за межами 70 а. е. була втрачена через викликані Нептуном зіткнення, що призвели до подрібнення об’єктів поясу в пил, який вимів у міжзоряний простір сонячний вітер. Всі ці тіла викликають великий інтерес, оскільки передбачається, що вони збереглися в первозданному вигляді з часу утворення Сонячної системи.

Отримуваний затемненням зірки силует астероїда. © Малюнок Натана Ейсмонта

Хмара Оорта містить найбільш віддалені об’єкти Сонячної системи. Воно являє собою сферичну область, яка простягається на відстані від 5 до 100 тисяч о.о. від Сонця і розглядається як джерело довгоперіодичних комет, що долітають до внутрішньої області Сонячної системи. Саму хмару до 2003 року інструментально не спостерігали. У березні 2004 року група астрономів оголосила про відкриття планетоподібного об’єкта, який рухається по орбіті навколо Сонця на рекордному видаленні, що означає його унікально низьку температуру.

Хмара Оорта — джерело довгоперіодичних комет. © Westerkamp & Loenen/kosmoved.ru

Цей об’єкт (2003VB12), названий Седна (Sedna) на ім’я ескімосської богині, що дає життя мешканцям арктичних морських глибин, наближається до Сонця на дуже короткий час, рухаючись по сильно витягнутій еліптичній орбіті з періодом 10 500 років. Але навіть під час зближення з Сонцем Седна не досягає зовнішньої межі пояса Койпера, яка знаходиться в 55 а. е. від Сонця: її орбіта лежить в межах від 76 (перигелій) до 1000 (афелій) а. е. Це дозволило першовідкривачам Седни віднести її до вперше спостережуваного небесного тіла з хмари Оорта, що постійно знаходиться за межами пояса Койпера.

За спектральними характеристиками найбільш проста класифікація розподіляє астероїди на три групи:

C — вуглецеві (75% відомих),

S — кремнієві (17% відомих)

, U — не входять в перші дві групи.

В даний час наведена класифікація все більше розширюється і деталізується, включаючи в себе нові групи. До 2002 року їх кількість збільшилася до 24. Як приклад нової групи можна вказати М-клас в основному металевих астероїдів. Однак слід врахувати, що класифікація астероїдів за спектральними характеристиками їх поверхні — завдання дуже важке. Астероїди одного класу необов’язково мають ідентичний хімічний склад.

Космічні місії до астероїдів

Астероїди занадто малі для детального дослідження за допомогою наземних телескопів. Їх зображення можна отримати з використанням радарів, але для цього вони повинні підлетіти до Землі досить близько. Досить цікавий метод визначення розмірів астероїдів — спостереження затемнень астероїдами зірок з декількох точок уздовж траси на прямий зірка — астероїд — точка на поверхні Землі. Метод полягає в тому, що за відомою траєкторією астероїда обчислюють точки перетину напрямку зірка — астероїд із Землею і вздовж цієї траси на деяких віддаленнях від неї, що визначаються передбачуваними розмірами астероїда, встановлюються телескопи, що стежать за зіркою. У якийсь момент астероїд затіняє зірку, вона пропадає для спостерігача, а потім знову з’являється. За тривалістю часу затінення і відомої швидкості астероїда визначають його поперечник, а при достатньому числі спостерігачів можна отримати і силует астероїда. В даний час організовано спільноту астрономів-аматорів, які успішно проводять скоординовані вимірювання.

Спосіб визначення форми і розмірів астероїда спостеріганням затемнень зірки. © Малюнок Натана Ейсмонта

Польоти космічних апаратів до астероїдів відкривають незрівнянно більше можливостей для їх дослідження. Вперше астероїд (951 Гаспра) був сфотографований космічним апаратом Галілео в 1991 році на шляху до Юпітера, потім в 1993-му він зняв астероїд 243 Іда і його супутник Дактіль. Але це було зроблено, так би мовити, попутно.

Першим спеціально розробленим для дослідження астероїдів апаратом став NEAR Shoemaker, який сфотографував астероїд 253 Матильда і далі вийшов на орбіту близько 433 Ероса з посадкою на його поверхню в 2001 році. Треба сказати, що посадка спочатку не планувалася, але після успішного дослідження цього астероїда з орбіти його супутника прийняли рішення спробувати здійснити м’яку посадку. Хоча апарат не був забезпечений пристроями для посадки і його система управління не передбачала таких операцій, за командами з Землі вдалося посадити апарат, причому його системи продовжували функціонувати і на поверхні. Крім того, обліт Матильди дозволив не тільки отримати серію знімків, але і з обурення траєкторії апарату визначити масу астероїда.

В якості попутного завдання (в ході виконання основної) апарат Deep Space досліджував астероїд 9969 Брайль в 1999 році і апарат Stardust — астероїд 5535 Аннафранк.

За допомогою японського апарату Хайабуса (в перекладі — «яструб») у червні 2010 року вдалося повернути на Землю зразки ґрунту з поверхні астероїда 25 143 Ітокава, який належить до навколоземних астероїдів (аполони) спектрального класу S (кремнієві). На фотографії астероїда можна бачити пересічену місцевість з безліччю валунів і булижників, з яких понад 1000 мають поперечник понад 5 метрів, а розмір деяких доходить до 50 метрів. Далі ми повернемося до цієї особливості Итокави.

Навколоземний астероїд Ітокава належить до групи Аполлона і відрізняється незвичайною формою. © JAXA

Космічний апарат Розетта, запущений Європейським космічним агентством у 2004 році до комети Чурюмова — Герасименко, 12 листопада 2014 року благополучно посадив на її ядро модуль Філи (Philae). Дорогою апарат здійснив обліт астероїдів 2867 Штейнс (Steins) у 2008 році і 21 Лютеція (Lutetia) у 2010-му. Своє ім’я апарат отримав за назвою каменя (Розетта), знайденого в Єгипті наполеонівськими солдатами поблизу стародавнього міста Розетта на нільському острові Філи, що дав ім’я посадковому модулю. На камені викарбувані тексти двома мовами: давньоєгипетському і давньогрецькому, що дало ключ до розкриття таємниць цивілізації стародавніх єгиптян — розшифровки ієрогліфів. Вибираючи історичні назви, розробники проекту підкреслювали мету місії — розкрити таємниці походження та еволюції Сонячної системи.

У листопаді 2014 року апарат Розетта з посадковим модулем Філа досяг комети Чурюмова — Герасименко. © new.livestream.com

Місія цікава тим, що в момент посадки модуля Філи на поверхню ядра комети та знаходилася далеко від Сонця і тому була неактивна. У міру наближення до Сонця поверхня ядра розігрівається і починається викид газів і пилу. Розвиток усіх цих процесів можна буде спостерігати, перебуваючи в центрі подій.

Дуже цікава нині триваюча місія Dawn (Світанок), виконувана за програмою NASA. Апарат був запущений в 2007 році, в липні 2011-го досяг астероїда Веста, потім переведений на орбіту його супутника і проводив там дослідження аж до вересня 2012 року. В даний час апарат знаходиться на шляху до найбільшого астероїда — Церере. На ньому стоїть електроракетний іонний двигун малої тяги. Його ефективність, визначена швидкістю закінчення робочого тіла (ксенона), майже на порядок перевищує ефективність традиційних хімічних двигунів (див. «Наука і життя» № 9, 1999 р., стаття «Космічний електровоз»). Це і дозволило перелетіти з орбіти супутника одного астероїда на орбіту супутника іншого.