Астероиды: не хаос, а порядок, выстроенный за миллиарды лет

В кино астероидные поля выглядят как хаотичные скопления камней, сталкивающихся и разлетающихся в разные стороны. В реальности всё иначе. Движение астероидов подчиняется строгим законам небесной механики, и их орбиты — это результат миллиардов лет гравитационного взаимодействия, а не случайного броуновского движения.

Где находятся астероиды?

Большинство из них сосредоточено в главном поясе — кольцевой зоне между орбитами Марса и Юпитера. Каждое тело в Солнечной системе движется по эллиптической орбите с определённой скоростью, которая зависит от расстояния до Солнца. Эти законы, описанные Кеплером ещё в семнадцатом веке, не позволяют объекту просто остановиться или улететь — он либо падает на Солнце, либо остаётся на замкнутой траектории.

Как появился пояс астероидов?

В 1766 году немецкий астроном Иоганн Тициус заметил, что расстояния от Солнца до планет подчиняются определённой числовой закономерности. Подставив значения, он обнаружил, что между Марсом и Юпитером должна находиться ещё одна планета. Когда астрономы направили туда телескопы, крупного тела там не оказалось — зато обнаружились тысячи мелких обломков. Долгое время их считали останками несостоявшейся планеты, разрушенной гравитацией Юпитера.

Однако в 2017 году группа исследователей под руководством Андре Изидоро проверила эту версию с помощью компьютерного моделирования и получила другой ответ. Симуляция, результаты которой опубликованы в Science Advances, показала, что никакой планеты-предшественника не существовало. Изначально зона между Марсом и Юпитером была почти пустой. Обломки, составляющие пояс, прилетели туда из других мест. Каменистые астероиды были выброшены из внутренней части Солнечной системы в результате гравитационных столкновений. Углеродистые, более тёмные, были захвачены из дальних регионов, когда Юпитер и Сатурн быстро набирали массу и перестраивали гравитационный баланс. Именно поэтому внутренняя часть пояса сегодня каменистая, а внешняя — более тёмная и богатая углеродом.

Почему пояс астероидов не сплошной, а дырявый?

Если нанести все известные астероиды на график по расстоянию от Солнца, в распределении обнаруживаются характерные пустые зоны. Их называют щелями Кирквуда — по имени астронома Дэниела Кирквуда, описавшего это явление в 1857 году. Причина их возникновения — резонансное взаимодействие с Юпитером. Если астероид совершает, например, три оборота вокруг Солнца за каждый один оборот Юпитера, они регулярно оказываются рядом в одних и тех же точках. Каждое сближение добавляет небольшой гравитационный толчок. Со временем орбита астероида раскачивается настолько, что он покидает эту зону. Юпитер методично вычищал эти области на протяжении миллиардов лет, делая их пустыми.

Как солнечный свет меняет траектории?

Помимо гравитации, существует ещё один механизм, о котором долгое время не подозревали. Поверхность астероида нагревается от Солнца, а затем постепенно отдаёт тепло в виде инфракрасного излучения. Это излучение создаёт крошечную реактивную силу — как если бы из астероида постоянно вытекал газ, отталкивая его в противоположную сторону. Этот эффект настолько слаб, что его долго считали несущественным.

Впервые его измерили в 2003 году. Стивен Чесли и его коллеги из NASA следили за астероидом 6489 Голевка с помощью радара обсерватории Аресибо и обнаружили, что за двенадцать лет он сместился на пятнадцать километров больше, чем должен был по одной лишь гравитации. С тех пор этот эффект, известный как эффект Ярковского, учитывают при всех долгосрочных прогнозах движения астероидов. За миллионы лет он способен сдвинуть астероид достаточно далеко, чтобы тот попал в резонансную зону и был выброшен Юпитером 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 девяноста процентов тел крупнее одного километра, способных сближаться с Землёй. Сейчас усилия сосредоточены на объектах от ста сорока метров.

Особого внимания заслуживает астероид Апофис. В 2029 году он пройдёт на расстоянии около тридцати восьми тысяч километров от поверхности Земли — ближе, чем некоторые спутники на геостационарной орбите. Исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в 2022 году, показало, что этот пролёт 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 астероид Диморф диаметром около ста шестидесяти метров. Задача — проверить, можно ли кинетическим ударом изменить орбиту астероида. Результаты, опубликованные в Nature, показали, что орбитальный период Диморфа сократился на тридцать три минуты. Это в пять раз больше, чем ожидалось. Дополнительный эффект дало облако обломков, выбитых при ударе. Они передали астероиду обратный импульс, что 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. Именно потому, что все эти процессы подчиняются понятным законам, учёные умеют рассчитывать траектории наперёд и, при необходимости, менять их.