Четвер, вересня 19, 2019

Загальноуніверситетська
газета
№ 7 (4016)
вівторок 8 квітня
2014 р.

З 1 січня 1817 р. Харківський університет видавав "Харьковские известия", з 8 квітня 1927 р. - "Робітник освіти", з 15 грудня 1928 р. - "Іновець", з 1 січня 1930 р. - "За нові кадри", з 1 січня 1936 р. - "За більшовицькі кадри", з 1 січня 1947 р. - "Сталінські кадри", з 1 січня 1957 р. - "Харківський університет" (вперше номер з такою назвою з'явився 19 грудня 1945 р.).

Газета нагороджена Почесною грамотою Державного комітету у справах преси, телебачення та радіомовлення України.

Про природу астероїдів, що наближаються до Землі

Робота з астрономії «Глобальні польові бурі та високо поляризуючі хмари на Марсі» нещодавно була нагороджена Державною премією. Складовою частиною цієї роботи є «Вивчення фізичних властивостей астероїдів» проф. Д. Ф. ЛУПІШКА. Сьогодні він ділиться останніми знаннями.

Крім астероїдів головного поясу, що знаходяться на орбітах між Марсом і Юпітером, існує популяція астероїдів на витягнутих і нестабільних орбітах, в перигеліях яких (перигелій - найбільш близька до Сонця точка орбіти) вони заходять усередину орбіт планет земної групи - Меркурія, Венери, Землі та Марса. А це означає, що орбіти цих астероїдів можуть перетинатися з орбітами перерахованих планет, що в свою чергу означає можливість зіткнення, коли астероїд і планета з»являться одночасно в точці перетину їх орбіт.
Цю популяцію об'єктів зазвичай називають «астероїдами, що наближаються до Землі» (АНЗ). Традиційно, за типом орбіт їх поділяють на три групи - група Амура, Аполлона і Aтона. Назви груп відповідні назвам астероїдів, які були відкриті першими в кожній з них. Особливості орбіт астероїдів такі, що амурці можуть тільки зближуватися з орбітою Землі, в той час, як аполлонці й атонці можуть заходити всередину її, тобто перетинатися з орбітою Землі і стикатися з Землею. Останніми роками стали виділяти ще одну групу так званих внутрішніх астероїдів (inner-Earth asteroids). Їх орбіти повністю знаходяться всередині орбіти Землі. Це дуже небезпечні астероїди, оскільки знаходяться з боку Сонця, на денному небі, і тому їх не можна побачити за допомогою оптичних наземних телескопів. Однак, в результаті гравітаційного збурення їх орбіт Сонцем, планетами і великими астероїдами вони поблизу своїх афеліїв (афелій - найбільш віддалена від Сонця точка орбіти) можуть досягати орбіти Землі і стикатися з нашою планетою. Небезпека полягає в тому, що завчасно виявити їх, щоб прийняти необхідні заходи, дуже важко.

За станом на 1 листопада 2010 р. відкрито і каталогізовано 7344 АНЗ. У каталозі кожен астероїд позначається номером та ім'ям (див. «Найбільші АСЗ» нижче в таблиці). Якщо ж астероїд ще не отримав постійного номера й імені, то він позначається тимчасовим номером (див. у тій же табличці «Найменші з відкритих АНЗ»), який містить рік відкриття його, дві латинські літери, що вказують в якому місяці він виявлений і наступні 1-3 цифри - порядковий номер надходження відомостей для каталогізації астероїда в цьому місяці.
За останні два десятиріччя ці астероїди стали об'єктами особливого інтересу як з точки зору фундаментальної науки, так і прикладної. З одного боку, такі питання, як джерела їх походження та механізми доставки на сучасні орбіти, час життя на цих орбітах, зв'язок з кометами і метеорною речовиною, є вкрай важливими для вирішення проблем походження поясу астероїдів і Сонячної системи в цілому. З іншого боку, усвідомлення останнім часом реальності проблеми астероїдно-кометної небезпеки, а також принципова можливість використання АНЗ в якості джерел металу та іншої мінеральної сировини в навколоземному космічному просторі, безпосередньо пов'язані з вирішенням глобальних проблем виживання людства.

Час від часу ці об'єкти зближуються із Землею на дуже малі відстані і надають унікальну можливість спостерігати і вивчати об'єкти Сонячної системи настільки малих розмірів (до 10 м). Деякі з них, можливо, являють собою первинну речовину, яка зберегла у собі інформацію про найбільш ранні етапи формування Сонячної системи, в той час, як більшість з них є фрагментами більш великих астероїдів головного поясу і теж надають унікальну можливість вивчати надра своїх батьківських тіл. Зближуючись з Землею, ці астероїди надають також можливість спостерігати їх в широкому інтервалі геометрії освітлення і спостереження, недоступному для астероїдів головного поясу, що дає можливість більш повно вивчати механізми розсіювання світла їх поверхнями і, отже, їх оптичні та фізичні властивості.
Основні відмінності АНЗ від астероїдів головного поясу - це їх орбіти і відносно малі розміри. Якщо найбільший астероїд головного поясу 1 Церера розміром близько 950 км у діаметрі, то найбільший АНЗ 1036 Ганімед має розмір всього 38.5 км. Два інших, 433 Ерос і 3552 Дон Кіхот - близько 15-20 км у поперечнику, всі інші – меньше 10 км, причому 85% з них менше 3 км. Діапазон розмірів каталогізованих АНЗ зазначених у цій таблиці.
Найбільші АНЗ Найменьші з відкритих АНЗ
1036 Ганімед D=38.5 км . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
433 Ерос 16.5 2000 WL107 D=38 м
3552 Дон Кіхот 12÷15 2003 QB30 17
1866 Сизиф 8.9 2003 SQ222 10
2008 TC3 4
На щастя, три найбільші АНЗ належать до групи Амура і можуть тільки зближуватися із Землею, тобто, вони не перетинають її орбіту і не загрожують нам зіткненням. А найбільший з групи Аполлона - 1866 Сізіф близько 9 км у поперечнику. Згідно з наведеними вище даними, найменший з відкритих АНЗ 2008 TC3 має розмір близько 4 м. Такого розміру тіла дають дуже слабкий потік відбитого випромінювання, однак астероїд був виявлений (6 жовтня 2008 р. в Арізоні, США) і лише тому, що знаходився зовсім близько до Землі. Це стало відомо відразу, як тільки за даними телескопічних спостережень була визначена його орбіта. Розрахунок еволюції орбіти показав, що за 20 годин після виявлення астероїд зіткнеться із Землею у пустелі північного Судану. Льотчики пасажирського авіалайнера, що виконував рейс в цей момент над північним Суданом, зафіксували сильний спалах в небі на висоті близько 37 км над поверхнею, яка тільки на 15 секунд відрізнялася від розрахункового часу, визначеного астрономами. Таким чином, астероїд, що летів зі швидкістю 20-30 км/сек, зустрівши потужний опір земної атмосфери вибухнув в атмосфері (в точці максимального гальмування) 7 жовтня 2008 р. і випав на Землю у вигляді численних осколків (фрагментів). Дві експедиції, організовані фахівцями США за участю суданських студентів, знайшли понад 300 фрагментів цього астероїда, за складом речовини відповідних астероїдам рідкісного і унікального за своїми оптичними властивостями типу. Варто зауважити, що унікальні властивості цього типу астероїдів були визначені за поляриметричним і фотометричним спостереженням в НДІ астрономії нашого університету.

Оцінки об'ємної щільності є тільки для декількох АНЗ. Найбільш точне значення було отримано для 433 Ероса (2.670.03 г/см3) за даними космічної місії NEAR-Shoemaker, яке добре відповідає мінералогії астероїдів силікатного типу при середній пористості їх близько 30%. Для решти АНЗ наявні оцінки щільності отримані з радарних даних або на основі аналізу параметрів їх подвійності і, на жаль, є менш точними.
Як відомо, зібрані на Землі метеорити є фрагментами астероїдів. Порівняння наявних оцінок об'ємної щільності АНЗ з щільністю речовини їх метеоритних аналогів показує, що АНЗ мають досить велику об'ємну пористість, порядку 30-50%. Вона включає не тільки мікропористість речовини, але й можливі порожнечі всередині астероїда. Це привело дослідників до думки про те, що багато АНЗ за своєю внутрішньою будовою не є монолітними тілами, а являють собою структури типу "rubble-pile", тобто, купи каміння, які утримуються разом тільки силою гравітаційного тяжіння. Такі тіла утворюються в результаті катастрофічного зіткнення астероїдів з подальшою реаккумуляцією утворених фрагментів на найбільших з них. Тобто, в результаті зіткнення двох тіл утворені осколки переходять на свої власні орбіти, проте точка зіткнення буде спільною для орбіт всіх фрагментів. Обертаючись на своїх орбітах навколо Сонця ці фрагменти рано чи пізно будуть зустрічатися один з одним у цій точці і за рахунок гравітаційного тяжіння найбільший фрагмент буде «виловлювати» і притягувати на себе (тобто, реаккумулювати) більш дрібні фрагменти. У результаті утворюється тіло типу купи каміння з можливими суттєвими порожнечами всередині. Зараз вже знайдено багато підтверджень існування таких тіл.

За типом мінералогії і оптичними властивостями астероїди, як відомо, поділяються на композиційні типи (composition - склад). У сучасній класифікації розрізняють до 26 типів, що відрізняються своїми спектрами та іншими оптичними властивостями. Основними з них є три типи: силікатні (S-тип), що мають середню відбивну здатність і складаються з основних породоутворюючих силікатів; вуглисті (С-тип, від carbon - вуглець) - дуже темні і злегка червонуваті, подібні до метеоритів - вуглистих хондритів і містять вуглець, силікати і органіку; і М-тип (металеві). Так от серед АНЗ представлені практично всі типи астероїдів головного поясу, включаючи навіть рідкісні типи з найбільш примітивною речовиною, дуже темною і червонуватою, які знаходяться в основному в зовнішній частині головного поясу і за його межами. Проте, розподіл тіл за типами в популяції АНЗ зовсім інший. Якщо в головному поясі 75% це С- та інші темні астероїди і тільки 15% S-астероїдів, то у популяції АНЗ перші складають 27%, а силікатні - 36%. Найбільш просте пояснення цього факту полягає в тому, що джерелом поповнення популяції АНЗ є внутрішня частина головного поясу, де переважають саме силікатні S-астероїди.

Як це не дивно, але багато АНЗ представляють собою диференційовану речовину, тобто таку, що пройшла розплавлення та магматичний розподіл, хоча зрозуміло, що розміри АНЗ занадто малі, щоб усередині них відбувалися процеси розплавлення і диференціації речовини. Серед них є об'єкти з мономінеральним силікатним складом і навіть суто металеві. Принаймні три об'єкти класифіковані як М-тип (металеві), причому один з них, амурец 6178 1986 DA, за даними радарних спостережень справді вказує на металеву природу речовини. Різноманітність типів серед АНЗ вказує на різноманітність мінералогії їх поверхонь, а беручи до уваги їх відносно малі розміри і дуже часто диференційований склад, можна зробити висновок, що вони є фрагментами більших диференційованих тіл головного поясу, викинутими згодом на сучасні орбіти.
Дані наземних спостережень і космічних місій зображують дуже неправильні і витягнуті форми астероїдів взагалі і АНЗ, зокрема. Інформацію про форму астероїдів з наземних спостережень зазвичай отримують з фотометричних спостережень їх кривих блиску. Крива блиску - це періодична функція, що описує зміну блиску астероїда з обертанням його навколо своєї осі. Оскільки форма кривих блиску обумовлена в першу чергу зміною видимого поперечного перерізу тіла, що обертається, то амплітуда кривої блиску розглядається як характеристика співвідношення осів фігури, тобто витягнутості форми астероїда. Аналіз численних даних з кривих блиску показує, що АНЗ в середньому мають таку ж витягнутість форми, як і астероїди головного поясу подібних розмірів. Проте спостереження показують дивовижну різноманітність форм від майже сферичних до сильно витягнутих, роздвоєних (4179 Тоутатіс) і контактно-подвійних (4769 Касталія). Найбільш витягнутий серед відомих - аполлонець 1865 Цербер (D = 1.2 км), його співвідношення осів становить a / b = 3.2. На фотографіях представлені реальні форми деяких АНЗ.\

Усі небесні тіла, включаючи і астероїди, обертаються навколо своєї осі. Швидкості і напрями обертання астероїдів формуються ще при їх утворенні і еволюціонують в процесі взаємних зіткнень. Дані спостережень показують, що в середньому швидкості осьового обертання АНЗ такі ж, як і астероїдів головного поясу аналогічних розмірів (4.5 і 4.7 об/добу, відповідно). У той же час середня швидкість обертання великих астероїдів головного поясу складає всього 2.90.1 об/добу. Серед АНЗ кілометрових розмірів найбільш швидкі об'єкти мають періоди обертання 1-2 години, а найбільш повільні - 1-2 сотні годин, так для двох АНЗ (966590 1998 XB і 1997 AE12) виміряні періоди складають 510 і 640 годин, відповідно.

Обертання АНЗ характеризується двома особливостями, які поки що не виявлено серед астероїдів головного поясу. Перша - серед АНЗ малих розмірів (метри - десятки метрів) виявлені об'єкти з надшвидким осьовим обертанням, у яких періоди обертання складають від однієї до 20 хвилин. Такі тіла повинні бути монолітними фрагментами, а не структурами типу купи каміння. Друга особливість - виявлено декілька об'єктів із складним обертанням; вони обертаються не навколо головної осі інерції (тобто, навколо найбільш короткої осі), зберігаючи момент максимальним, а енергію - мінімальною, як це має місце у переважної більшості астероїдів. Це так звані "tumbling asteroids" (що перекидаються). Мабуть, такі АНЗ зазнали нещодавно зіткнення з іншими астероїдами.

Як показують дані спостережень, оптичні властивості поверхонь АНЗ в середньому такі ж, як і астероїдів головного поясу. Весь діапазон значень відбивної здатності (450%) такий самий, як і в головному поясі, що узгоджується з принципово однаковою мінералогією речовини цих двох популяцій. Оптичні спостереження свідчать також про те, що в субмікронному масштабах ці поверхні також подібні і за своєю структурою. А що можна сказати про структуру поверхонь АНЗ в масштабах сантиметрів, метрів? Тут на допомогу приходять радарні спостереження. Вони показують, що поверхні АНЗ в цілому більш жорсткі в масштабі дециметрів-метрів, чим поверхні астероїдів головного поясу. Це цілком природно, оскільки астероїди головного поясу набагато більші і їх гравітаційне поле здатне частково згладжувати нерівності поверхні.

Дані наземних телескопічних спостережень і прямих знімків поверхонь двох АНЗ - 433 Ероса і 25143 Ітокави з космічних апаратів NEAR-Shoemaker і Hayabusa показують, що більшість АНЗ покриті шаром реголіту (тобто, роздробленої речовини поверхні з розмірами частинок від мікрона до сантиметра) з низькою теплопровідністю. Навіть на відносно невеликому АНЗ Ітокава за оцінками фахівців в низинах товщина реголіту досягає 2.3 м, а якщо його рівномірно розподілити по всій поверхні Ітокави, то товщина складе 42 см.
Недавні вимірювання теплової емісії АНЗ показали, що теплова інерція їх поверхонь в 11 разів більша, ніж для місячної поверхні. Це означає, що реголіт АНЗ дійсно більш крупнозернистий, ніж місячний і, найімовірніше, більш крупнозернистий, ніж реголіт більших в розмірах астероїдів головного поясу. Процеси накопичення та переробки реголіту на поверхнях АНЗ відрізняються від процесів на поверхнях астероїдів головного поясу внаслідок великих відмінностей в силі гравітації на цих тілах, у інтенсивностях сонячного вітру, а також мікрометеоритного і метеоритного бомбардування. І як наслідок, реголіт АНЗ повинен бути більш пухким, більш грубозернистим і менш зрілим (переробленим). За даними радарних спостережень пористість речовини АНЗ в середньому відповідає пористості верхнього 10-см шару місячного реголіту.
Прямі зображення одного з найбільших АНЗ 433 Eros, отримані з космічного апарату NEAR-Shoemaker в 2000-2001 рр. (див. фото вище), показали, що його поверхня вкрита великою кількістю кратерів різних розмірів і окремо лежачих каменів. Нема кратерів на Ітокаві, що є одним з аргументів на користь її структури типу "rubble-pile". Наземні радарні спостереження показують, що навіть невеликі АНЗ діаметром близько 3 км кратеризовані так само сильно, як і більші астероїди головного поясу.

Близько 15-17 % АНЗ є подвійними системами, які було відкрито фотометричним та радарним методами вже близько 40. Подвійні астероїди дуже схожі між собою своїми параметрами. Так періоди обертання центральних тіл знаходяться в межах 2.34.4 годин, а орбітальні періоди вторинних тіл знаходяться в інтервалі 0.51.8 доби. У березні 2009 р. серед АНЗ відкрита перша потрійна система - амурець (153591) 2001 SN263 з двома супутниками (див. фото). Центральне тіло виявилося сферичним з D 2 км, більший з супутників 1 км, а менший має розмір радіотелескопу в Аресібо, США (300 м), за допомогою якого система була виявлена. Нещодавно відкрито ще один потрійний аполлонець.
Як відомо, час життя АНЗ відносно короткий - 106-107 років, тому повинні існувати джерела їх поповнення. Малі розміри АНЗ, однакова з астероїдами головного поясу мінералогія, переважання диференційованих речовин, однакові в середньому форма, обертання, оптичні властивості і структура поверхні - все це вказує на те, що головний пояс астероїдів є основним джерелом поповнення АНЗ. Цей висновок не суперечить результатам дослідження динаміки процесу, згідно з яким головний пояс астероїдів може постачати популяцію АНЗ кількома сотнями об'єктів км-розмірів протягом 1 млн. років, що є цілком достатнім для підтримки існування цієї популяції. З іншого боку, ідентифікація декількох астероїдів з ядрами згаслих комет не виключає кометного походження деяких з них. Питання полягає в тому, яка частка АНЗ кометного походження. Раніше існували різні оцінки цієї частки, від «більшості» таких АНЗ і майже до нуля. Однак, починаючи з 2001 р., було опубліковано кілька нових оцінок (в тому числі й автором цієї замітки), які непогано узгоджуються між собою і вказують на те, що частка АНЗ кометного походження становить 10-15%, а решта - фрагменти астероїдів головного поясу.

Астероїди, що зближаються до Землі - це найменші індивідуально спостережувальні тіла в Сонячній системі. Вони показують величезну різноманітність своїх властивостей і внутрішньої структури: від монолітних (і навіть металевих) об'єктів, до тіл типу купи щебеню і навіть подібних пухкому крижаному ядру комети з щільністю менше 1 г/см3. За останнє десятиріччя швидкість виявлення їх дуже зросла, що є втішним фактом з точки зору проблеми астероїдно-кометної небезпеки. Проте, виникає нова проблема, а саме, швидкість вивчення фізичних властивостей АНЗ стала істотно відставати від швидкості їх виявлення і по відношенню до всієї популяції відкритих АНЗ наші знання про їхні фізичні властивості стають відносно все більш і більш неповними. У той же час ці знання вкрай необхідні як для вирішення космогонічних проблем поясу астероїдів і Сонячної системи в цілому, так і для оцінки ступеня небезпеки і запобігання можливим зіткненням АНЗ з Землею, а також для пошуків серед них об'єктів М-типу («металевих») та інших типів астероїдів, що представляють інтерес з точки зору сировинних ресурсів. Ось чому вивчення природи і фізичних властивостей АНЗ стає зараз одним із пріоритетних напрямів дослідження тіл Сонячної системи, покликаних вирішувати як фундаментальні проблеми науки, так і прикладні задачі виживання людства.


Проф. Д.ЛУПІШКО, завідувач відділу малих тіл Сонячної системи
НДІ астрономії, лауреат Державної премії України 2010 р.