Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

2.3. Астероиды

Термин «астероиды» объединяет большую группу объектов Солнечной системы с довольно разными свойствами. В первую очередь их роднит то, что по размерам они уступают карликовым планетам (размеры астероидов менее 600 км) и не являются спутниками других тел (кроме разве что в редких случаях других астероидов). Кроме того, они обычно отличаются от комет, не проявляя бурной активности в виде выбросов газа и пыли при приближении к Солнцу (хотя бывают и важные отклонения от этого общего правила). Нижняя граница размеров астероидов не определена жестко: в настоящее время самые маленькие объекты, классифицированные как астероиды, имеют размеры около метра. Так что определение астероида не является достаточно строгим, и зачастую необходима более тонкая классификация.

Первый обнаруженный астероид, Церера, был открыт 1 января 1801 г. итальянским астрономом Джузеппе Пиацци (Guiseppe Piazzi). Церера с размерами около 1000 км является самым крупным объектом, когда-либо отнесенным к классу астероидов. Интересно, что изначально Церера была классифицирована как планета, но позднее, по мере обнаружения более мелких астероидов, она стала считаться одним из них. А с начала XXI в. в связи с новым изменением классификации Церера относится к классу карликовых планет (вместе с Плутоном и некоторыми другими транснептуновыми объектами).

Основная доля астероидов располагается в Главном поясе между орбитами Марса и Юпитера.

Сейчас самыми крупными астероидами являются Паллада и Веста с размерами около 500 км. Как и Церера, и множество более мелких объектов, они относятся к Главному поясу астероидов. Он располагается между орбитами Марса и Юпитера (примерно от 2,2 до 3,2 a.е.). В него входит более миллиона тел с размером от километра и больше, около трети из этого количества уже идентифицировано.

В последние годы открытия в основном совершаются в рамках автоматизированных обзоров, позволяющих обнаружить десятки новых тел в день. Подавляющее большинство астероидов не имеет собственных имен, у них есть лишь обозначения (например, 2016 GE₁). До сих пор работает правило, согласно которому первооткрыватель может предложить имя открытого им астероида с хорошо установленной орбитой (хотя в регламенте существуют ограничения на присваиваемые имена), но окончательное решение принимает Международный астрономический союз (МАС). На сегодняшний день более 20 000 астероидов получили собственные имена, среди которых Хокинг, Зельдович, Хаббл и др.

Юпитер сильно влияет на орбиты астероидов Главного пояса.

На орбиты астероидов Главного пояса основное влияние оказывает Юпитер. В связи с этим (а также с влиянием других тел, например Сатурна) траектории движения распределены неравномерно, т. е. не случайным образом. За время существования Солнечной системы астероиды совершили около миллиарда оборотов вокруг Солнца, поэтому регулярные воздействия массивных тел «выстроили» их орбиты определенным образом, заставив занять устойчивые положения. Например, выделяется две группы астероидов, связанных с Юпитером и движущихся вблизи его орбиты. Одна группа опережает Юпитер на 60°, а другая – отстает. Первая группа носит название «греки» (Ахиллес, Агамемнон, Аякс и др.), а вторая – «троянцы» (Парис, Приам и др.)^[1]. Свои троянцы есть и у Нептуна (вообще устоялась терминология, в которой подобные группы тел – как отстающие, так и опережающие планету – называют троянцами, в том числе и у Юпитера).

Существуют группы астероидов, орбиты которых пересекают земную, все время оставаясь невдалеке от нее. Иногда их обобщенно называют астероидами, сближающимися с Землей (или околоземными астероидами, от англ. Near-Earth asteroids – NEA), однако это не означает, что они все время находятся рядом с нашей планетой и постоянно представляют угрозу. Сейчас к околоземным астероидам относят около 15 000 тел, среди которых около тысячи имеют размер более километра. Ни один из этих объектов не является опасным на промежутке времени, для которого существуют достаточно точные расчеты.

Для астероидов, сближающихся с Землей, были получены детальные карты с помощью радаров.

Разумеется, столкновения с крупными астероидами, пусть и редкие, должны приводить к катастрофическим последствиям. Популярны сценарии, в которых глобальные вымирания видов на Земле связывают с падением большого небесного тела. Для этого астероид должен иметь размеры порядка нескольких километров. Тело размером в сотни метров может вызвать локальную катастрофу, если упадет на достаточно населенный район. Однако стоит иметь в виду, что большая часть земной поверхности покрыта океанами, морями, пустынями и лесами, так что вероятность падения тела на густонаселенный участок мала. В настоящее время работает несколько программ по мониторингу потенциально опасных объектов.

Сближение астероидов с Землей позволяет подробно рассмотреть их. Правда, в основном это делается не с помощью оптических телескопов, угловое разрешение которых недостаточно из-за влияния атмосферы. Для этого используют радары (например, трехсотметровую антенну в Аресибо), и в некоторых случаях такое зондирование позволяет распознать детали поверхности размером в несколько метров. В частности, такие наблюдения позволили надежно показать, что среди астероидов встречаются двойные (есть даже тройные астероиды, например Клеопатра).

Двойственность астероидов была заподозрена и ранее по результатам изучения их кривых блеска. Однако без детальных наблюдений трудно разделить эффект вращения объекта неправильной формы от обращения двух тел друг вокруг друга. Астероиды, как правило, имеют сложную форму, поскольку они недостаточно массивны, чтобы гравитация выровняла их, придав сферическую форму. Все астероиды размером менее 10 км наверняка являются осколками столкновений, что объясняет и их неправильную форму, и вращение.

Вращение астероидов может быть очень быстрым. Это особенно верно для самых маленьких тел размером менее нескольких сот метров, некоторые из них при размере около 10 м делают оборот менее чем за минуту. Наблюдения близких двойных астероидов позволяют измерить их массу, а значит, и среднюю плотность. Она оказывается достаточно низкой – около 1–2 г/см³. Это означает, что астероиды имеют довольно пористую структуру.

Существуют двойные и быстро вращающиеся астероиды.

Кроме астероидов Главного пояса есть еще одна большая группа малых тел – пояс Койпера. Иногда его еще называют поясом Эйджворта – Койпера в честь Кеннета Эйджворта (Kenneth Edgeworth) и Джерарда Койпера (Gerard Kuiper). Свои идеи и гипотезы о существовании большого числа транснептуновых тел они начали развивать в 1940–1950-е гг. Однако лишь в конце 1980-х – начале 1990-х гг. развитие техники наблюдений позволило начать массовое обнаружение небесных тел с размерами порядка крупных астероидов за орбитой Нептуна.

Еще одна существенная группа объектов – кентавры. Это название отражает тот факт, что они объединяют свойства астероидов и комет. Во-первых, многие из них, подобно кометам, двигаются по очень вытянутым орбитам с большими эксцентриситетами (классический пример – астероид Хирон, орбита которого имеет эксцентриситет примерно 0,4). Во-вторых, некоторые из кентавров демонстрируют кометную активность, они выбрасывают газ, формирующий вокруг них оболочку – кóму. Это говорит о том, что нельзя просто классифицировать кометы как ледяные объекты, а астероиды – как каменные или железно-каменные. Среди астероидов также встречаются объекты с большим содержанием замороженных летучих веществ.

Некоторые астероиды включают большое количество замороженных летучих соединений.

Есть и другие интересные примеры полуастероидов-полукомет. В 1979 г. было открыто малое тело 1979 OW7, которое сейчас имеет двойное наименование: кометное 133P/Elst-Pizarro и астероидное 7968 Elst-Pizarro (назван в честь Эрика Елста и Гуидо Пизарро (Eric W. Elst, Guido Pizarro)). Это первая так называемая комета Главного пояса. Всего их известно около десятка.

Таким образом, астероиды, будучи все-таки по преимуществу объектами из силикатов и железа, могут включать в себя значительные массы льда, в том числе водяного. В некоторых моделях предполагается, что наряду с кометами астероиды играли роль в доставке воды на молодую Землю, поскольку в ряде сценариев сразу после формирования наша планета не обладала достаточным запасом воды, чтобы объяснить наблюдаемое сейчас количество этого важнейшего для жизни вещества.

Для дюжины астероидов были получены изображения с близкого расстояния с помощью межпланетных станций.

Существуют модели, в которых значительное количество железно-каменных астероидов вскоре после своего рождения на расстоянии менее 3 a.е. от Солнца было выброшено массивными планетами на высокие орбиты. Сейчас такие объекты должны находиться в облаке Оорта, а их количество на порядки превосходит число астероидов во внутренней Солнечной системе.

Некоторые астероиды были в деталях исследованы космическими аппаратами с близкого расстояния. Первыми стали Гаспра и Ида, мимо которых в 1991 и 1993 гг. соответственно пролетел космический аппарат Galileo («Галилео»), направлявшийся к Юпитеру. При этом удалось получить высококачественные изображения поверхности. Затем с помощью аппарата NEAR в 1997–1998 гг. были исследованы астероиды Матильда и Эрос. Сейчас существует около десятка околоземных астероидов (NEA) и астероидов Главного пояса, для которых с помощью различных межпланетных станций получены снимки поверхности в высоком разрешении, что позволяет исследовать их особенности и обсуждать эволюцию.

Под действием солнечного ветра и микрометеоритов поверхность астероидов подвергается выветриванию.

Отметим несколько интересных фактов. Во-первых, на астероидах обнаружены крупные валуны. Например, астероид Итокава прямо-таки завален ими. В основном валуны, видимо, связаны с падением на астероиды других тел. Продуктами столкновения и являются наблюдаемые камни. В случае Итокавы, однако, валунов слишком много, поэтому выдвигаются и другие гипотезы: например, они могли попасть на астероид в процессе образования Итокавы после разрушения более крупного тела.

Искусственные аппараты совершали посадки на астероиды, и однажды пробы грунта были доставлены на Землю.

Во-вторых, поверхность астероидов подвергается космическому выветриванию под действием солнечного ветра и микрометеоритов. Некоторые астероиды имеют относительно молодую поверхность (миллионы лет), поскольку являются продуктом недавних столкновений. У других поверхность более старая, возраст которой может исчисляться сотнями миллионов лет (как правило, такие астероиды темнее).

Разрабатываются проекты пилотируемых миссий к астероидам и возможности их промышленного использования.

Кроме фотографий с близкого расстояния в двух случаях у нас есть существенно более детальные данные об астероидах. В феврале 2001 г. спутник NEAR смог совершить мягкую посадку на астероид Эрос. В течение двух недель устройство передавало информацию с поверхности: в частности, с помощью гамма-спектрометра удалось получить точную информацию о составе грунта.

Еще более впечатляющий результат был достигнут в ходе проекта Hayabusa японского космического агентства. Аппарат в 2005 г. совершил посадку на астероид Итокава, а затем вернул образцы грунта на Землю. Миссия проходила с рядом технических трудностей, однако их удалось преодолеть, и в 2010 г. драгоценный груз попал в руки ученых.

Сейчас в NASA активно разрабатываются проекты пилотируемых миссий по изучению астероидов: в частности, предполагается захват и буксировка небольшого околоземного астероида. Также существуют проекты частных компаний по промышленному использованию этих объектов.

2.4. Пояс Койпера, Плутон и компания

За орбитой Нептуна располагается множество объектов, уступающих в размере и массе большим планетам, которые объединяют под общим наименованием транснептуновые. Также родственными им являются так называемые околонептуновые (cis-neptunian) объекты. В основном это тела с большим содержанием льдов, некоторые из них имеют достаточно большие размеры и классифицируются как карликовые планеты. Это Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида (пятой карликовой планетой на сегодняшний день является Церера в Главном поясе астероидов). Суммарная масса тел в этой области составляет доли массы Земли (что немало). Таким образом, количество мелких объектов, таких как кометные ядра, здесь очень велико.

На расстоянии 40–50 a.е. от Солнца находится большая группа транснептуновых объектов.

Транснептуновые объекты в зависимости от характеристик их орбит делят на несколько групп. Главными являются классический пояс Койпера и так называемый рассеянный диск (scattered disc). Иногда их объединяют под общим названием пояс Койпера. Объекты классического пояса в основном располагаются на расстояниях 42–48 a.е. Они имеют небольшие эксцентриситеты (менее 0,2), и плоскости их орбит лежат вблизи плоскости эклиптики. Тела в рассеянном диске в свое время сильно провзаимодействовали с Нептуном, поэтому их орбиты могут быть существенно наклонены к плоскости эклиптики, а также они могут иметь заметные эксцентриситеты (до 0,6). Большие полуоси их орбит достигают 100 a.е. Суммарная масса тел классического пояса Койпера составляет около 0,001 земной (в основном она сконцентрирована в телах с размерами около 50 км). Самым массивным телом является Макемаке, у которого в 2016 г. был открыт спутник. Масса рассеянного диска на пару порядков больше.

Основную часть транснептуновых объектов относят к так называемому поясу Койпера.

Возможность существования аналога пояса астероидов на занептуновых орбитах обсуждалась с 1930-х гг. Вскоре после обнаружения Плутона Фредерик Леонард (Frederick C. Leonard) высказал гипотезу, что это лишь первое из многих подобных тел, которые будут открыты за Нептуном. В 1943 г. Кеннет Эйджворт предположил, что при образовании Солнечной системы мелкие тела не могли образовать крупную планету за Нептуном и поэтому должны образовывать некий аналог пояса астероидов. Койпер высказал свой вариант гипотезы лишь в 1951 г. Были и другие ученые, которые на основе более надежных идей или наблюдений предсказывали существование популяции транснептуновых объектов, однако по историческим причинам известная нам теперь структура чаще всего называется поясом Койпера.

Гипотезу о большом количестве транснептуновых тел, образующих единую структуру, на протяжении нескольких десятилетий развивали многие ученые. Однако обнаружить небольшие тела на таких больших расстояниях непросто. Первый объект пояса Койпера был открыт в 1992 г. Это тело, пока обозначаемое как 1992 QB1, обнаружили Дэвид Джевитт и Джейн Луу (David Jewitt, Jane Luu). Сейчас регулярно происходят обнаружения новых транснептуновых объектов и разрабатываются проекты космических миссий для их исследования. Также обсуждается гипотеза о возможном существовании достаточно крупного тела далеко за орбитой Нептуна, на расстоянии 200–300 a.е.

Первый объект в поясе Койпера был открыт в 1992 г.

В дополнение к классическому поясу Койпера и рассеянному диску среди транснептуновых тел выделяют объекты, находящиеся в орбитальном резонансе с Нептуном. Это означает, что их орбитальные периоды находятся в целочисленном отношении к орбитальному периоду Нептуна: например, как 3:2 (Плутон и плутино – небольшие тела примерно с тем же орбитальным периодом), 2:1, 5:2 и т. д. Отдельно можно отметить околонептуновые объекты с резонансом 1:1, это троянцы Нептуна, орбитальное движение которых подобно движению троянцев и греков Юпитера. Наконец, уже внутри орбиты Нептуна, находятся кентавры, названные так по первому объекту этого типа – астероиду Хирон. Видимо, эти тела недавно ушли из пояса Койпера. На современных орбитах они смогут просуществовать лишь около 10 млн лет, а в дальнейшем из-за взаимодействия с планетами-гигантами их орбиты существенно изменятся. Кентавры, например Хирон, явно демонстрируют наличие большого количества льда (необязательно водяного), это полуастероиды-полукометы, что и послужило основанием для их названия. При приближении к Солнцу у некоторых из этих тел появляется кома (аналог атмосферы), как у комет.

В свое время, на заре образования Солнечной системы, маленькие объекты в этой области не смогли объединиться в одно крупное тело, в первую очередь из-за низкой пространственной плотности и неэффективности взаимодействия друг с другом. Небольшие объекты, видимо, не образовывались далее 50 a.е., поэтому сейчас внешняя граница пояса Койпера обрывается довольно резко. Современная структура распределения транснептуновых объектов сформировалась во время так называемой поздней тяжелой бомбардировки (спустя несколько сотен миллионов лет после формирования Солнечной системы), когда произошла существенная миграция планет-гигантов. С точки зрения распределения орбит транснептуновых объектов главную роль играло именно перемещение Нептуна. Начальная масса объектов в занептуновой области могла составлять от 3 до 30 земных масс, но во время миграции значительная часть из них была выброшена во внешнюю Солнечную систему (облако Оорта) или вовсе за пределы нашей системы. С тех пор масса пояса Койпера постепенно уменьшается, поскольку объекты меняют орбиты, например превращаясь в кентавров. Кроме того, столкновения транснептуновых объектов приводят к их разрушению, а не к укрупнению. Поэтому некоторые авторы считают пояс Койпера аналогом остаточных (debris) дисков, наблюдаемых у других звезд.

Некоторые транснептуновые объекты имеют орбитальные периоды, связанные с периодом Нептуна.

О внутреннем строении транснептуновых объектов известно немного. Наблюдения позволяют определять характеристики поверхности для крупных тел. Хорошо видно наличие замерзшего метана, который под действием солнечного излучения превращается в другие углеводородные соединения (например, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, CH₃OH): этим объясняется красноватый цвет многих из этих тел. Также наблюдается присутствие водяного льда, замерзшего углекислого газа и молекулярного азота, аммиака.

Транснептуновые объекты имеют очень разную плотность, причины этого не известны. В среднем плотность растет с ростом массы объектов, для Плутона она составляет примерно 2 г/см³ (соотношение льда и камней примерно 3:7). У некоторых тел плотность очень мала, что указывает на их пористое строение.

Поверхность многих транснептуновых объектов покрыта льдами. Небольшие тела могут быть в основном ледяными.

Многие транснептуновые объекты образовались в результате столкновений. Так, например, спутник Плутона Харон (и, видимо, два других небольших спутника этой карликовой планеты) возник в результате столкновения. То же можно сказать и о спутниках карликовой планеты Хаумеа, имеющих, как и она, очень яркую поверхность, что объясняют присутствием большого количества водяного льда. Спутники у крупных транснептуновых объектов не редкость, все четыре транснептуновые карликовые планеты имеют спутники, да и вообще среди тел в поясе Койпера очень много двойных.

Некоторые объекты, когда-то входившие в пояс Койпера, удается изучить лучше других, поскольку они существенно поменяли свои орбиты и теперь могут приближаться к Солнцу. Кроме уже упоминавшихся кентавров к ним относятся некоторые кометы: например, 81P/Wild (она же Wild 2, открыта швейцарским астрономом Пayлем Вильдом (Paul Wild)). Некоторые спутники планет-гигантов могли быть транснептуновыми объектами, захваченными во время миграции. К таковым относят спутник Сатурна Фебу, который имеет обратное движение вокруг своей планеты. Крупный спутник Нептуна Тритон, также, вероятнее всего, изначально был самостоятельным транснептуновым объектом. Эти тела удалось изучить с помощью космических аппаратов, исследовавших Сатурн и Нептун.

Сейчас наиболее изученными транснептуновыми телами являются Плутон и Харон, поскольку мимо них в 2015 г. пролетел аппарат New Horizons («Новые горизонты»). Сюрпризом было обнаружение на Плутоне обширных областей молодой поверхности, не покрытой большим количеством кратеров. Возраст этих участков менее нескольких миллионов лет, поэтому Плутон не является «мертвой планетой».

Исследования Плутона выявили, что на его поверхности есть очень молодые участки.

Изучение орбит транснептуновых объектов помогает точнее восстановить историю Солнечной системы. Однако для существенного продвижения необходимы новые межпланетные станции, специально предназначенные для изучения транснептуновых объектов и их «родственников».