"Люси" и "троянцы". Миссия к самым загадочным объектам Солнечной системы

На 16 октября намечен запуск космического аппарата НАСА "Люси", который отправится к троянским астероидам Юпитера. Эти небольшие небесные тела, движущиеся вокруг Солнца по той же орбите, что и ближайшая планета, по мнению ученых, представляют собой фрагменты исходного протопланетного материала. С этой точки зрения миссия "Люси" — своего рода путешествие во времени, уникальная возможность посмотреть, как выглядела и из чего состояла молодая Солнечная система четыре с половиной миллиарда лет назад.

Точки Лагранжа

В конце XVIII века французский математик и астроном Жозеф Луи Лагранж доказал, что в системе двух массивных тел, например в такой, как Солнце и вращающаяся вокруг него планета, есть точки, где гравитационное воздействие уравновешивается. И их пять.

В точках Лагранжа, как их с тех пор называют и обозначают от L1 до L5, тела малой массы не испытывают никаких других воздействий, кроме гравитационных со стороны двух главных тел системы, и остаются неподвижными относительно них. Другими словами, малые космические объекты, попадая в окрестности точек Лагранжа какой-либо планеты, начинают вращаться вместе с ней вокруг Солнца.

Схема пяти лагранжевых точек в системе двух тел, когда одно тело намного массивнее другого (Солнце и Земля). Здесь точки L4, L5 показаны на самой орбите, хотя фактически они будут находиться внутри неё - РИА Новости, 1920, 11.10.2021

Точки Лагранжа в условной системе Солнце — планета

В 1906 году теория французского ученого подтвердилась — в одной из точек Лагранжа системы Юпитер — Солнце обнаружили астероид, которому дали имя Ахиллес в честь героя эпической поэмы Гомера "Илиада" о Троянской войне. Почти сразу открыли еще два десятка астероидов на орбите Юпитера в точках L4 и L5 и назвали их троянскими. Объекты в точке L4 получили имена греческих персонажей поэмы, в L5 — защитников Трои.

А миссия "Люси" названа в честь первого австралопитека, древнейшего предка человека, найденного в 1974 году в Эфиопии французско-американской экспедицией во главе с Дональдом Джохансоном. Тут двойной смысл. С одной стороны, космический аппарат направляется к "троянцам" Юпитера как к древнейшим космическим "ископаемым остаткам", свидетельствующим о самом раннем этапе становления Солнечной системы. А с другой — по пути, в главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера, "Люси" пролетит мимо астероида 52246 Donaldjohanson, названного в честь американского антрополога.

На сегодняшний день в Солнечной системе насчитывается 7681 "троянец". У Юпитера — 7642, у Марса — девять, у Нептуна — 28 и по одному у Урана и Земли. Ученые до сих пор не знают, почему у Юпитера их так много.
 

Астероиды главного пояса (белым) и троянские астероиды Юпитера (зеленым)

"Одна из основных задач миссии "Люси" — определить, как они там накопились. Это неоднозначный вопрос. По-видимому, "троянцы" возникли на самых ранних стадиях формирования Солнечной системы. Изучив их состав и морфологию, мы сможем более определенно говорить о происхождении", — объясняет РИА Новости Валерий Шематович, заведующий отделом исследований Солнечной системы Института астрономии РАН.

Семь лет назад, когда обсуждали проект миссии, предполагали, что аппарат посетит два астероида, но с помощью современных суперкомпьютеров рассчитали оптимальную траекторию орбиты, и топлива хватит на шесть "троянцев" из обеих группировок.

Миссия рассчитана на 12 лет. В 2027-м аппарат прибудет в точку L4 и пролетит мимо четырех астероидов. После этого "Люси" вернется к Земле, и гравитационный маневр доставит ее к 2033-му в точку L5 системы Юпитер — Солнце, где "Люси" посетит уникальный двойной астероид Патрокл-Менетий.

Плановая траектория полета миссии "Люси"

"Троянцы" — свидетели эпохи образования планет

По составу троянцы должны быть максимально близки к первичному веществу, из которого формировалась Солнечная система. В то же время это не совсем то, из чего состояло протопланетное облако.

"Речь идет о материале так называемого осколочного диска, включающего в себя остатки первичного вещества, не использованного для образования планет, но уже прошедшего некоторую переработку. Астероиды — объекты, немного эволюционировавшие за счет столкновений друг с другом. В частности, в некоторых начиналась первичная дифференциация", — уточняет Валерий Шематович.

Имеется в виду гравитационная дифференциация — процесс, при котором под воздействием гравитации более тяжелые химические элементы, такие как железо, никель и другие металлы, постепенно опускаются вниз и скапливаются в ядре протопланеты, а более легкие, например кремний, поднимаются к поверхности.

О дифференциации свидетельствует то, что среди астероидов есть почти целиком металлические. "Люси" должна найти такие у Юпитера.

"Когда мы их изучим — состав, морфологию, тогда, вероятно, мы сможем сказать, что это было — разрушенный большой астероид или зародыш планеты. Пока мы не в состоянии заглянуть так далеко назад", — говорит ученый.

Классический пример металлического астероида — Психея в главном поясе, между орбитами Марса и Юпитера. Считается, что Психея — это металлическое ядро или фрагмент ядра протопланеты, которая на заре формирования Солнечной системы разрушилась из-за столкновения с другим крупным небесным телом. В результате силикатные породы оболочек, окружающих металлическое ядро, откололись и разлетелись. Сейчас астероид примерно на 90 процентов состоит из металлов и на десять — из силикатов. НАСА планирует отправить к Психее одноименную космическую миссию в июле 2022-го.

Ключи к разгадке

С Земли и в космические телескопы "троянцы" выглядят по-разному. Но это не означает, что они отличаются по составу или пришли из разных частей Солнечной системы. Ученые предполагают, что это просто визуальный эффект поверхности, которая может меняться из-за ударного нагрева.

"Астероиды и сейчас периодически сталкиваются между собой, а молодая Солнечная система была еще более возмущенной по динамике", — отмечает Шематович.

Исследователи надеются получить с помощью "Люси" детальную информацию о троянских астероидах. На борту аппарата установлены камера высокого разрешения L’LORRI, визуализатор L’Ralph, работающий как инфракрасный спектроскопический картограф, и тепловой инфракрасный спектрометр L’TES.

Камера L'LORRI даст самое подробное изображение "троянцев". Подсчитав кратеры на поверхности, ученые узнают, в какой части протопланетного диска эти небесные тела сформировались миллиарды лет назад. Множество крупных кратеров указывает на то, что астероид образовался в турбулентной и более теплой области ближе к Солнцу.

Главная задача прибора L’Ralph — заглянуть в самые глубокие уголки кратеров или трещин. В таких местах вероятнее всего найти поверхность, не подвергшуюся мощным потокам радиации и микрометеоритов и сохранившую исходную структуру. Также прибор способен обнаружить силикаты, лед и органические вещества. Тепловой инфракрасный спектрометр L’TES соберет сведения о составе и структуре вещества.

"Астероиды только отражают солнечное излучение, поэтому инфракрасный диапазон позволяет получить наиболее детальную информацию о химическом и даже в какой-то степени минеральном составе поверхности тел, а значит, и об их происхождении", — заключает Валерий Шематович.

"Люси" — первый космический зонд, который посетит "троянцев" и исследует так много независимых тел Солнечной системы за один полет — семь, с учетом астероида 52246 Donaldjohanson. Эта миссия, по мнению ученых, станет серьезной проверкой общепринятой теории образования планет Солнечной системы.