Астероиды не хаотичны: как формируются их орбиты

Когда в фильмах показывают астероидные поля, объекты летят в разные стороны, сталкиваются и хаотично вращаются. Реальные астероиды ведут себя совершенно иначе. Подробнее читайте в статье а.

Большая их часть сосредоточена в так называемом главном поясе — кольцевой зоне между орбитами Марса и Юпитера. Солнечная система устроена таким образом, что каждое тело, оказавшееся на определенном расстоянии от Солнца, начинает двигаться по эллиптической орбите с соответствующей скоростью. Это описывается законами Кеплера, открытыми в 17 веке: тело не может просто остановиться или улететь — оно либо падает на Солнце, либо вращается по замкнутой траектории.

Как ты появился?

В 1766 году немецкий астроном Иоганн Тициус заметил, что расстояния от Солнца до всех известных тогда планет подчиняются одной и той же формуле. Подставив цифры, он обнаружил, что по этой формуле между Марсом и Юпитером должна располагаться еще одна планета. Когда астрономы направили туда телескопы, большого тела там не было, но были обнаружены тысячи мелких фрагментов. Их долгое время считали остатками несостоявшейся планеты: якобы Юпитер уничтожил ее своей гравитацией прежде, чем она успела полностью сформироваться.

В 2017 году группа исследователей под руководством Андре Исидоро проверила эту версию с помощью компьютерного моделирования и получила другой ответ. Моделирование, описанное в Science Advances, показало, что никакой планеты-прародительницы не существовало. Зона между Марсом и Юпитером изначально была почти пустой. Обломки, составляющие сейчас пояс астероидов, прибыли из других мест.

Скалистые астероиды были выброшены из зоны формирования Земли и соседних планет в результате гравитационных столкновений. А углеродистые были захвачены из далеких регионов Солнечной системы, когда Юпитер и Сатурн быстро набрали массу и перестроили гравитационный баланс системы. Именно поэтому внутренняя часть пояса сегодня каменистая, а внешняя часть темнее и богаче углеродом.

Зеркальная Вселенная и антиматерия: что скрывается за новой гипотезой

Почему пояс астероидов не сплошной, а дырявый?

Если построить график всех известных астероидов по расстоянию от Солнца, то в распределении вы обнаружите характерные пустые зоны. Их называют щелями Кирквуда, в честь астронома Дэниела Кирквуда, описавшего это явление в 1857 году.

Причина появления пробелов кроется в особом взаимодействии с Юпитером. Представьте себе качели: если в нужный момент толкнуть их снова и снова, амплитуда качелей увеличится. Примерно то же самое происходит и с астероидом, орбита которого укладывается в простое числовое соотношение с орбитой Юпитера. Если астероид совершает, например, три оборота вокруг Солнца за один оборот Юпитера, они регулярно оказываются рядом в одних и тех же точках. Каждое такое приближение добавляет небольшой гравитационный толчок. Со временем орбита астероида колеблется настолько, что он покидает эту зону.

Обзор этой динамики, опубликованный Мишель Мунс в журнале «Небесная механика и динамическая астрономия» в 1996 году, показал, что в резонансных зонах орбиты становятся хаотичными в течение нескольких миллионов лет. Тогда астероиды сбиваются с 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 очищал их на протяжении миллиардов лет.

Как солнечный свет незаметно меняет траектории?

Помимо гравитации существует еще один механизм, о котором долгое время не подозревали. Поверхность астероида нагревается Солнцем. Нагретая сторона постепенно выделяет тепло, излучая его в пространство. Это излучение создает крошечную реактивную силу — почти как если бы газ постоянно вытекал из астероида, толкая его в противоположном направлении. Эта сила настолько мала, что долгое время считалась неважной.

Впервые он был измерен в 2003 году. Стивен Чесли и его коллеги из НАСА наблюдали за астероидом 6489 Голевка с помощью радара обсерватории Аресибо и обнаружили, что за 12 лет он сместился ровно на 15 километров больше, чем следовало бы, исходя только из гравитации. Результаты были опубликованы Лабораторией реактивного движения НАСА, и с тех пор этот эффект – эффект Ярковского – учитывается при расчете всех долгосрочных прогнозов движения астероидов.

Эффект Ярковского за миллионы лет способен сдвинуть астероид достаточно далеко, чтобы он попал в одну из резонансных зон и был выброшен оттуда Юпитером на совершенно другую орбиту. Так тела из главного пояса постепенно мигрируют во внутреннюю часть Солнечной системы.

Что происходит с астероидами, достигшими Земли?

Некоторые астероиды, покинувшие главный пояс, выходят на околоземные орбиты. Их называют околоземными. По данным каталога NASA CNEOS, программа мониторинга уже обнаружила более 90% тел размером более одного километра, способных приблизиться к Земле. Сейчас усилия сосредоточены на объектах высотой от 140 метров.

Особого внимания заслуживает астероид Апофис. В 2029 году он пройдет на расстоянии около 38 000 километров от поверхности Земли – ближе, чем некоторые спутники на геостационарной орбите. Исследование, опубликованное в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества» за 2022 год, показало, что этот пролет предоставит редкую возможность подробно изучить астероид с Земли: измерить его вращение, состав и внутреннюю структуру.

Что произойдет, если к Земле полетит астероид?

В сентябре 2022 года DART намеренно врезался в Диморф, небольшой астероид диаметром около 160 метров, вращающийся вокруг более крупного тела. Задача заключалась в том, чтобы проверить, может ли кинетический удар изменить орбиту астероида. Результаты были опубликованы в журнале Nature. По их словам, орбитальный период Диморфа сократился на 33 минуты. Это в пять раз больше, чем ожидалось.

Дополнительный эффект оказало облако обломков, выбитое при ударе. Покидая поверхность, они передали астероиду импульс в обратном направлении. Это открытие теперь учитывается при разработке будущих миссий по планетарной обороне.

Таким образом, астероиды не движутся упорядоченно, случайно или навсегда. Их орбиты являются результатом миллиардов лет гравитационного взаимодействия, тепловых эффектов и столкновений. Но именно потому, что все эти процессы подчиняются понятным законам, ученые способны заранее рассчитывать траектории — и, как показал DART, менять их при необходимости.

Ранее мы писали, что обнаружили ученые в центре Млечного Пути.