Астероиды не хаотичны: как формируются их орбиты
Когда в кино показывают астероидные поля, объекты летят в разные стороны, сталкиваются и хаотично вращаются. Реальные астероиды ведут себя совсем иначе. Подробнее — в материале «Рамблера».
Где находятся астероиды?
Большинство из них сосредоточено в так называемом главном поясе — кольцевой зоне между орбитами Марса и Юпитера. Солнечная система устроена так, что каждое тело, оказавшееся на определенном расстоянии от Солнца, начинает двигаться по эллиптической орбите с соответствующей скоростью. Это описывают законы Кеплера, открытые в XVII веке: тело не может просто остановиться или улететь — оно либо падает на Солнце, либо обращается по замкнутой траектории.
Как появились?
В 1766 году немецкий астроном Иоганн Тициус заметил, что расстояния от Солнца до всех известных тогда планет подчиняются одной формуле. Подставив числа, он обнаружил, что между Марсом и Юпитером по этой формуле должна располагаться еще одна планета. Когда астрономы направили туда телескопы, крупного тела там не оказалось — зато обнаружились тысячи мелких обломков. Их долго считали останками несостоявшейся планеты: якобы Юпитер разрушил ее своей гравитацией прежде, чем она успела сформироваться полностью.
В 2017 году группа исследователей под руководством Андре Изидоро проверила эту версию с помощью компьютерного моделирования и получила другой ответ. Симуляция, описанная в Science Advances, показала, что никакой планеты-предшественника не существовало. Зона между Марсом и Юпитером изначально была почти пустой. Обломки, которые сейчас составляют пояс астероидов, прилетели туда из других мест.
Каменистые астероиды были выброшены из зоны формирования Земли и соседних планет в результате гравитационных столкновений. А углеродистые были захвачены из дальних регионов Солнечной системы, когда Юпитер и Сатурн быстро набирали массу и перестраивали гравитационный баланс системы. Именно поэтому внутренняя часть пояса сегодня каменистая, а внешняя — более темная и богатая углеродом.
Зеркальная Вселенная и антиматерия: что скрывается за новой гипотезой
Почему пояс астероидов не сплошной, а дырявый?
Если нанести все известные астероиды на график по расстоянию от Солнца, в распределении обнаружатся характерные пустые зоны. Их называют щелями Кирквуда — по имени астронома Дэниела Кирквуда, который описал это явление в 1857 году.
Причина возникновения щелей кроется в особом взаимодействии с Юпитером. Представьте качели: если толкать их в нужный момент снова и снова, амплитуда раскачки будет нарастать. Примерно то же происходит с астероидом, орбита которого укладывается в простое числовое соотношение с орбитой Юпитера. Если астероид совершает, например, три оборота вокруг Солнца за каждый один оборот Юпитера, они регулярно оказываются рядом в одних и тех же точках. Каждое такое сближение добавляет небольшой гравитационный толчок. Со временем орбита астероида раскачивается настолько, что он покидает эту зону.
Обзор этой динамики, опубликованный Мишель Мунс в журнале Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy в 1996 году, показал, что в резонансных зонах орбиты становятся хаотичными за несколько миллионов лет. Тогда астероиды выбиваются из привычного движения и покидают пояс. Именно поэтому в этих местах нет астероидов. Не потому что их там никогда не было, а потому что Юпитер методично вычищал их на протяжении миллиардов лет.
Как солнечный свет незаметно меняет траектории?
Помимо гравитации, есть еще один механизм, о котором долго не подозревали. Поверхность астероида нагревается от Солнца. Нагревшаяся сторона постепенно отдает тепло, излучая его в космос. Это излучение создает крошечную реактивную силу — примерно как если бы из астероида все время чуть-чуть вытекал газ, отталкивая его в противоположную сторону. Сила настолько мала, что ее долго считали несущественной.
Первый раз ее измерили в 2003 году. Стивен Чесли и его коллеги из NASA следили за астероидом 6489 Голевка с помощью радара обсерватории Аресибо и выяснили, что тот за 12 лет сместился ровно на 15 километров больше, чем должен был по одной лишь гравитации. Результаты опубликовала JPL NASA, и с тех пор этот эффект — эффект Ярковского — учитывают при расчете всех долгосрочных прогнозов движения астероидов.
За миллионы лет эффект Ярковского способен сдвинуть астероид достаточно далеко, чтобы тот попал в одну из резонансных зон и был выброшен оттуда Юпитером уже на совершенно другую орбиту. Так тела из главного пояса постепенно мигрируют во внутреннюю часть Солнечной системы.
Что происходит с астероидами, которые добираются до Земли?
Часть астероидов, покинувших главный пояс, переходит на орбиты вблизи Земли. Их называют околоземными. По данным каталога NASA CNEOS, программа мониторинга уже обнаружила более 90% тел крупнее одного километра, способных сближаться с Землей. Сейчас усилия сосредоточены на объектах от 140 метров.
Особого внимания заслуживает астероид Апофис. В 2029 году он пройдет на расстоянии около 38 000 километров от поверхности Земли — это ближе, чем некоторые спутники на геостационарной орбите. Исследование в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 2022 года показало, что этот пролет даст редкую возможность детально изучить астероид с Земли: измерить его вращение, состав и внутреннюю структуру.
Что будет, если астероид летит на Землю?
В сентябре 2022 года аппарат DART намеренно врезался в Диморф — небольшой астероид диаметром около 160 метров, обращавшийся вокруг более крупного тела. Задача была проверить, можно ли кинетическим ударом изменить орбиту астероида. Результаты опубликовал журнал Nature. Согласно им, орбитальный период Диморфа сократился на 33 минуты. Это в пять раз больше, чем ожидалось.
Дополнительный эффект дало облако обломков, выбитых при ударе. Покидая поверхность, они передали астероиду импульс в обратном направлении. Это открытие теперь учитывают при разработке будущих миссий планетарной защиты.
Таким образом, астероиды движутся упорядоченно не случайно и не вечно. Их орбиты — результат миллиардов лет гравитационных взаимодействий, тепловых эффектов и столкновений. Но именно потому, что все эти процессы подчиняются понятным законам, ученые умеют рассчитывать траектории наперед — и, как показал DART, при необходимости менять их.
Ранее мы писали, что ученые обнаружили в центре Млечного Пути.