Братья меньшие планет

К середине лета 2011 года общее число занумерованных астероидов с вычисленными орбитами превысило 280 000

В свите солнца, кроме восьми планет, великое множество тел меньшей массы и размера. Часть из них состоит из пыли и замерз­шего газа (кометы), остальные – из твердого вещества (малые планеты, или планетоиды). Одни не уходят от Солнца дальше орбиты Юпитера, другие гуляют по периферии Солнечной системы. В силу традиции малые планеты первой группы называют астероидами.

В 1596 году Иоганн Кеплер заметил, что вычисленные Коперником средние радиусы планетных орбит от Меркурия до Сатурна относятся как 0,38:0,72:1,00:1,52:5,2:9,2. Брешь между Марсом и Юпитером показалась Кеплеру слишком широкой, и он предположил, что там находится еще одна планета. Эта гипотеза подтвердилась в новогоднюю ночь 1801 года, когда директор Палермской обсерватории Джузеппе Пиацци углядел в созвездии Тельца тусклую звездочку, смещавшуюся по отношению к соседним светилам. Он принял ее за комету, но вскоре усомнился в этом. Немецкий астроном Иоганн Боде, с которым Пиацци поделился своими наблюдениями, счел это тело новой планетой, о чем и объявил в ежемесячном журнале, издававшемся директором Готской обсерватории бароном Францем фон Захом. Боде и Зах и раньше были уверены, что пространство между Марсом и Юпитером скрывает неизвестную планету; более того, в сентябре 1800 года Зах убедил нескольких германских астрономов принять участие в ее коллективном поиске. Позднее к этой группе (называвшей себя «небесной полицией») присоединились и другие ученые, в том числе и Пиацци.
    
Пиацци не успел собрать достаточно данных, чтобы вычислить орбиту предполагаемой планеты, которая к осени 1801 года покинула европейский небосвод. Тем не менее заметка Боде побудила великого математика Карла Фридриха Гаусса начать работу над методом вычислений, требовавшим меньше наблюдательных данных, нежели общепринятые расчеты. Он послал свои результаты фон Заху, который с их помощью вновь обнаружил беглянку 1 января 1802 года, ровно через год после Пиацци. В ту же ночь ее наблюдал другой участник «небесной полиции» Генрих Ольберс. По желанию Пиацци новое небесное тело назвали именем римской богини плодородия Цереры, которая считалась покровительницей Сицилии.

Ольберс продолжал наблюдать за Церерой и 28 марта 1802 года заметил по соседству другую движущуюся точку. Она получила имя Паллады, греческой богини мудрости. Когда Гаусс вычислил элементы ее орбиты, стало очевидным, что Ольберсу фантастически повезло. Паллада обращается вокруг Солнца практически за такое же время, что и Церера (4,6 земного года), но ее траектория наклонена к плоскости эклиптики на 34 градуса. Не окажись она во время наблюдений Ольберса вблизи Цереры, ее смогли бы обнаружить лишь спустя несколько десятилетий. В течение пяти лет было открыто еще два подобных небесных тела. Но после этого «небесная полиция» распалась. Ольберс держался дольше других, но и он в 1816 году оставил охоту за астероидами. Она возобновилась только в середине XIX века, когда первооткрывателей уже не было в живых.

Охотничий сезон

В 1830 году математик и астроном Фридрих Вильгельм Бессель обратился к немецким обсерваториям с призывом приступить к картированию небосвода с целью поиска астероидов. Кое-что в этом направлении было сделано, но первая находка досталась не профессионалу, а любителю, почтмейстеру Карлу Хенке. 8 декабря 1845 года, после 15 лет бесплодных наблюдений, он открыл пятый астероид, Астрею. В 1847 году тот же Хенке угля­дел астероид № 6 – Гебу, а вскоре молодой английский астроном Джон Рассел Хинд обнаружил астероиды Ирис и Флору. После этого поиск малых планет быстро набрал обороты. Первый американский охотник за этими телами Христиан Петерс с 1861 по 1889 год открыл 48 астероидов, а немецкий астроном Карл Лютер – 24. К 1890 году в астрономические каталоги было внесено порядка трехсот обитателей пространства между Марсом и Юпитером.

А потом наступила новая эра. Приват-доцент Гейдель­берг­ского университета Максимилиан Вольф первым в мире воспользовался фотосъемкой для поиска малых планет. В декабре 1891 года он обнаружил свой первый астероид, а в следующем году – уже 13. В 1902 году Вольф возглавил новую университетскую обсерваторию и превратил ее в мировой центр «малой планетологии». Его младший коллега Карл Рейнмут с 1912 по 1957 год открыл 389 астероидов, и этот рекорд никто не смог побить.

В период меж двух мировых войн поиск астероидов был чрезвычайно интенсивным, и за одни 1930-е годы принес без малого четыре сотни открытий. Потом он затормозился – надолго, лет на тридцать. Его возрождению способствовало оснащение телескопов полупроводниковыми фотометрами и другими электронными приборами и появление мощных компьютеров, способных быстро вычислять астероидные орбиты. В последнее время для исследования малых планет используют наземные телескопы-роботы, орбитальные обсерватории и дальние космические зонды.

Главный пояс

Орбиты почти всех астероидов лежат в пределах кольца, внутренний радиус которого равен двум астрономическим единицам, а внешний – трем с половиной (строго говоря, это не кольцо, а бублик, поскольку пути множества астероидов выходят за плоскость эклиптики). Эту зону называют главным поясом астероидов. В нем содержится около двухсот малых планет, средние диаметры которых больше 100 км. По приблизительным оценкам, астероидов размером не менее километра там 1–2 млн. И при этом общая масса обитателей главного пояса примерно в 25 раз меньше массы Луны!

Пространственное распределение траекторий астероидов в главном поясе отнюдь не равномерно. Во-первых, там есть щели, открытые в 1860-х годах профессором Университета Индианы Дэниелом Кирквудом. На основании исследования траекторий 97 астероидов Кирквуд выяснил, что эти тела избегают орбит с периодами, соизмеримыми с периодом Юпитера (например, если эти периоды относятся как 1:3). Кирквуд понял и причину: такие тела периодически сближаются с Юпитером на одном и том же участке своей траектории и в результате под действием его тяготения сбиваются с прежней траектории (этот эффект, отмеченный Лапласом в начале XIX века на примере спутников Юпитера, называется орбитальным резонансом). В главном поясе есть щели Кирквуда (в русскоязычной литературе их также называют люками) и с другими резонансами – 1:2, 2:5, 3:5, 3:7. Во-вторых, не менее трети тамошних астероидов группируются по семействам с близкими орбитальными элементами (такими как длина большой полуоси, эксцентриситет и наклонение орбиты к плоскости эклиптики). Первые из таких семейств без малого сто лет назад выделил профессор Токийского университета Киёцугу Хираяма. Хираяма счел, что каждое семейство состоит из осколков более крупного астероида, распавшегося из-за столкновения с телом меньшего размера, и эта интерпретация до сих пор считается самой правдоподобной.

Астероиды главного пояса наверняка сталкиваются и сейчас (правда, увидеть это вживую пока не удавалось), в прошлом же столкновения были самым обычным делом. Очень многие (если практически не все) астероиды представляют собой осколки предшественников. Это объясняет, почему в поясе не так уж много астероидов, обладающих собственными спутниками. Как рассказал «ПМ» старший научный сотрудник Юго-западного исследовательского института в штате Колорадо Кларк Чапмен, их доля не превышает 15% (против 75% у планет). Скорее всего, астероиды теряют свои луны не только при прямых соударениях, но и вследствие гравитационных возмущений, обусловленных появлением соседей. Хаотичное распределение осей вращения астероидов – тоже результат столкновений. Только Церера, Паллада и Веста обладают прямым вращением, унаследованным от первичного допланетного роя, из которого образовались и астероиды, и планеты. Такое вращение они удержали благодаря внушительной массе, обеспечивающей им большой угловой момент.

Троянские астероиды

Почти все астероиды, открытые в XIX столетии, движутся в пределах главного пояса. Исключение составляют только Эфра и Эрос, которые пересекают орбиту Марса. Иных примеров побега из внутрипоясного плена в то время не знали.

XX век и здесь принес перемены. 23 февраля 1906 года Вольф сфотографировал очень тусклый астероид, который двигался почти по круговой орбите такого же радиуса, как и орбита Юпитера, опережая планету на 55,5 градуса. Он был назван Ахиллесом и получил номер 588. Вскоре шведский астроном Карл Шарлье понял, что Ахиллес в своем движении привязан к одной из двух точек устойчивой либрации, предсказанных в 1772 году Жозефом Луи Лагранжем. Ахиллес периодически возвращается в окрестность точки либрации L4, которая движется на 60 градусов впереди Юпитера. Через некоторое время там же был обнаружен астероид Патрокл, а вблизи движущейся на 60 градусов позади планеты точки L5 – Гектор. Вскоре после этого появилась традиция называть эти астероиды в честь героев Троянской войны – вблизи точки либрации L4 именами ахейцев (Ахиллес, Нестор, Агамемнон, Одиссей, Аякс, Диомед, Антилох, Менелай), а вблизи точки либрации L5 – именами защитников Трои (Приам, Эней, Антиф). Однако традиция эта появилась не сразу, так что Гектор и Патрокл в итоге так и остались во «вражеских лагерях».
К настоящему времени вблизи Юпитера обнаружено около 5000 троянцев. Угловая дистанция между ними и Юпитером изменяется в широких пределах – от 45 до 100 градусов. Еще четыре троянца обитают вблизи Марса и восемь – в зоне орбиты Нептуна. В июле 2011 года канадские астрономы назвали первого кандидата на звание троянского партнера нашей планеты. Этот трехсотметровый астероид 2010 TK7 был отловлен инфракрасным телескопом WISE, который с января по октябрь 2010 года работал на околоземной орбите.

Околоземные астероиды

Еще одна полоса открытий началась весной 1932 года. 12 марта бельгийский астроном Эжен Дельпорт обнаружил астероид Амур, который в перигелии подходит к Солнцу на 1,08 а.е. и потому почти касается внешней стороны земной орбиты. А всего через шесть недель Карл Рейнмут наткнулся на астероид Аполлон, орбита которого пересекает и земную, и венерианскую и в перигелии отстоит от Солнца всего на 0,65 а.е.

Амур и Аполлон стали родоначальниками двух семейств малых планет, посещающих внутренние области Солнечной системы. У них есть общее имя – околоземные астероиды (Near-Earth Asteroids, NEAs). Перигелий астероидов типа Амура (Amor-type) лежит в диапазоне от 1,3 а.е. до максимального радиуса земной орбиты, равного 1,017 а.е. К астероидам-аполлонам (Apollo-type asteroids) относят тела с перигелием менее 1,017 а.е. и большой полуосью, превышающей 1 а.е. Есть еще семейство околоземных астероидов, у которых длина большой полуоси меньше одной астрономической единицы. Примерно 50% таких астероидов, первый из которых открыли в 1976 году и назвали в честь египетского бога Атона, все же отдаляются от Солнца сильнее Земли, поскольку движутся по эллипсам с большим эксцентриситетом. Среди атонов выделяют подсемейство астероидов, чей апогей меньше минимального радиуса земной орбиты, 0,983 а.е. Эти тела, естественно, всегда ближе к Солнцу, нежели наша планета.
Орбиты околоземных астероидов очень разнообразны. Одни из них периодически возвращаются в главный пояс и даже подчас уходят гораздо дальше, другие неизменно держатся поближе к Солнцу. Таков, например, астероид 1685 Торо с апогеем 1,96 а.е. и перигелием 0,77 а.е. Он пересекает орбиты Земли и Марса, и ему не хватает всего 0,05 а.е, чтобы добраться до орбиты Венеры. На пять оборотов вокруг Солнца у него уходит 8 земных и 13 венерианских годов, поэтому Торо пребывает в орбитальном резонансе с обеими планетами. Имеются даже астероиды, дерзающие подойти к Солнцу ближе Меркурия. Таков астероид 1566 Икар из семейства аполлонов, открытый в 1949 году американским астрономом Вальтером Бааде.

Недоделанные планеты

Астероиды – это, в известном смысле, недоделанные планеты. И те и другие когда-то образовались из столк­нувшихся и слившихся планетезималей, твердых тел размером от метра до километра, обращавшихся вокруг новорожденного Солнца. Эти тела, в свою очередь, возникли за счет слипания частиц первичного газопылевого облака, из которого формировалась Солнечная система. В зоне за орбитой Марса планетезимали не смогли объединиться в крупную планету. Скорее всего, это произошло из-за гравитационных возмущений со стороны Юпитера, хотя могли работать и другие механизмы. В частности, не исключено, что Юпитер не раз выбрасывал по направлению к Солнцу крупные тела, которые также дестабилизировали астероидный пояс.

Первые астероиды, возникшие непосредственно из планезималей, двигались в плоскости эклиптики по почти круговым орбитам и имели небольшие относительные скорости. Именно поэтому они не раскалывались при столкновениях, а слипались и росли. Однако тяготение Юпитера постепенно вынуждало астероиды переходить на наклонные орбиты с большим эксцентриситетом, из-за чего их относительная скорость возросла до 5 км/с (такова она и сейчас). При соударении на такой скорости астероиды дробились на фрагменты, у которых не было шансов положить начало настоящей планете.
Эти процессы радикально изменили астероидный пояс. Его начальная масса точно не известна, однако, согласно модельным вычислениям, она могла в 2200 раз превышать нынешнюю и примерно равняться массе Земли. Те же расчеты демонстрируют, что там были сот­ни тел, по массе и величине не уступающих Церере. Эти тела погибли при столкновениях, а их осколки ушли на нестабильные орбиты и покинули пояс. В конце концов он настолько поредел, что столкновения стали редкими, а выжившие астероиды остались на достаточно устойчивых траекториях. Так что нынешний главный пояс – бледная тень былого великолепия.

Кларк Чапмен отметил, что, по мнению ряда планетологов, когда-то между Землей и Венерой мог существовать еще один пояс. Однако этим астероидам выжить было много труднее. Можно предположить, что практически все они раскололись после соударений, а их осколки были отброшены прочь от Солнца.

Железо-никелевая лихорадка

Писатели-фантасты давно предсказывают, так сказать, народно-хозяйственное освоение астероидов – вспомним хотя бы азимовский рассказ «Путь марсиан». Это и понятно. В поясе астероидов скрыты исполинские запасы чистейшего водяного льда и великое множе­ство минералов. Один кубический километр веще­ства типичного астероида М-класса содержит 7 млрд тонн железа, миллиард тонн никеля и миллионы тонн кобальта. Суммарная стоимость этих металлов по сегодняшним ценам зашкаливает за $5 трлн. Остается надеяться, что если человечество доберется до этих ресурсов, то распорядится ими с умом и реальной пользой.


Октябрь 2011
Автор: Алексей Левин

«Подобные звездам»: Первая гипотеза происхождения новооткрытых светил

В письме к Уильяму Гершелю Ольберс предположил, что Церера и Паллада – это осколки планеты, погибшей от взрыва или столкновения с кометой. Отсюда следовало, что между Марсом и Юпитером найдутся и другие солнечные спутники. Гершель предложил именовать их астероидами, что в переводе с древнегреческого означает «подобные звездам» (он имел в виду, что эти тела сильно уступают планетам в яркости и потому их трудно отличить от большинства звезд). Этот неологизм вошел в язык астрономии. Гипотеза Ольберса предсказывала существование новых астероидов, поэтому «небесная полиция» продолжала поиски. Участники первого в истории астрономии коллективного исследовательского проекта обнаружили еще два астероида, которые тоже получили имена римских богинь. 1 сентября 1804 года Карл Гардинг открыл Юнону, а 29 марта 1807 года Ольберс отловил Весту. Право выбрать имя четвертого астероида предоставили Гауссу, вычислившему его орбиту всего за несколько часов (в такой срок непросто уложиться даже с помощью современного калькулятора!).

Орбиты астероидов

Орбиты околоземных астероидов очень разнообразны: одни периодически возвращаются в главный пояс и даже уходят гораздо дальше, другие неизменно держатся поближе к Солнцу. Имеются даже астероиды, дерзающие подойти к Солнцу ближе Меркурия

Классы астероидов

Сведения о строении астероидов основаны на результатах спек­траль­ного анализа отраженного ими солнечного света, скорректированных по геохимическим данным о составе метеоритов (поскольку астероиды – их основной источник). По этому критерию их подразделяют на три класса: С (тела с высоким содержанием углерода), S (силикаты с примесью металлов) и M (железо-никелевые). На долю класса С приходится три четверти астероидов главного пояса, S – 17%. Однако есть и более детальные классификации с куда большим числом групп. Все без исключения астероиды вращаются, причем их оси ориентированы в пространстве вполне случайно. Обычно длительность астероидных суток составляет от 6 до 13 часов, но есть и исключения. Так, крошечный (примерно 30 м в поперечнике) астероид 1998 KY26 совершает полный оборот за 10 мин 42 с. Скорее всего, столь высокую угловую скорость он набрал в результате стычек с ближайшими родственниками.