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/см?. 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 – к?му. 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.