Лекций состоялась в рамках проекта «Трибуна ученого», организованного Московским планетарием. Публикуем краткие тезисы.
Зачем нужны исследования астероидов
Мой путь в астрономию начался с замечательной книги Б.А. Воронцова- Вельяминова «Очерки о Вселенной» 1951 года выпуска. В одной из глав под названием «Путешествие на Гермес и на Гермесе» автор описывает, что мы бы увидели, если бы полетели на астероид.
Почему был выбран именно Гермес? Этот астероид был открыт в 1937 году во время сближения с Землей, и Воронцову-Вельяминову показалось, что такие тесные сближения откроют путешественникам будущего возможность перелетов на астероид и путешествия вместе с ним. Сейчас мы знаем, что это не вполне справедливое предположение: присоединиться к астероиду не так-то просто.
Однако интерес к астероидам все же есть, к настоящему моменту было совершено уже несколько таких космических миссий.
Какая может быть цель у таких полетов? Первое, что приходит на ум — их исследование. Исследовать астероид с близкого расстояния однозначно лучше, чем с Земли. На данном этапе это остается основной задачей, ведь астероиды очень интересны как, предположительно, реликты времен формирования Солнечной системы, на их примере можно заглянуть в прошлое и посмотреть, как происходил процесс формирования космических объектов, в частности, планет.
Еще одна задача, стоящая перед исследователями, связана с астероидно-кометной опасностью: изучаются различные варианты изменения их траектории в случае опасного сближения с Землей.
На более далекую перспективу мы задумываемся о том, что, возможно, мы захотим астероиды осваивать и даже добывать полезные ресурсы, например, металлы. В этом случае полеты к ним могут стать не только разовыми мероприятиями, но и превратиться в рутину освоения космического пространства.
Сколько в космосе астероидов
Количество известных астероидов приближается к 900 тысячам, большинство из них находится в так называемом Главном поясе, который располагается между орбитами Марса и Юпитера.
При этом есть некоторое количество астероидов, которые обращаются на более близких расстояниях к Солнцу и периодически сближаются с Землей. Среди них выделяют различные группы — в зависимости от того, пересекают ли они орбиту Земли или только приближаются к ней, приближаются они с внутренней или с внешней стороны. Получается четыре группы: Атиры и Атоны подходят к Земле довольно близко, Аполлоны и Амуры — только периодически сближаются с ней. Астероидов, которые способны сближаться с Землей, известно порядка 22 тысяч.
Полная масса Главного пояса астероидов, несмотря на огромное количество тел, составляет всего 0,0004 массы Земли, и это говорит против гипотезы о том, что Пояс астероидов является остатками некогда существовавшей планеты. Если собрать все астероиды в кучу, мы не получим даже Луну, не говоря о том, чтобы получить полноценную планету Солнечной системы.
Классификация астероидов
Основным методом далеких космических объектов сейчас является спектральный анализ. И как только появилась возможность измерять спектр астероидов, появилась и потребность разделить их на классы. Но, в отличие от звезд, разделение астероидов на классы значительно менее определенно, можно даже сказать, что оно еще в окончательной форме не устоялось.
Это связано с совершенно понятными причинами: спектры астероидов лишены каких-то очень заметных характеристик, которые позволяли бы очень четко разделять их на группы. Важную роль играет и то, что астероиды — объекты довольно тусклые, и получить для них качественные спектры не так просто.
Тем не менее, отдельные группы все же выделяют. Одна из этих групп — это астероиды, которые в некоторых классификациях обозначаются буквой X, в других — буквой M. Это астероиды, предположительно, металлические.
Вторая группа — это темные астероиды класса С, предположительно богатые соединениями углерода. Большую группу составляют астероиды класса S, кремниевые. И отдельную группу, очень важную для нас, составляют астероиды класса V.
Астероиды отличаются друг от друга не только по спектрам, то есть химическому составу, но еще и по размещению в пространстве — а размещение это довольно замысловато.
В их распределении существуют определенные провалы — они называются люками (или щелями) Кирквуда. Предполагается, что они являются признаками орбитальных резонансов с Юпитером, который имеет тенденцию из этого пространства астероиды выбрасывать. Особенно интересен резонанс 3:1, поскольку из этого резонанса астероиды могут выбрасываться из Главного пояса в сторону Земли.
Астероиды, относящиеся к классу кремниевых, или силиконовых, в основном расположены в ближней к Солнцу части астероидов. Астероиды темных спектральных классов, богатые предположительно углеродом, располагаются на более далеких от Солнца орбитах.
Таким образом, мы приходим к заключению, что астероиды в Солнечной системе распределены по какой-то закономерности. От расположения на орбите зависит спектральный класс, а значит, его химический состав.
Исследование метеоритов
Казалось бы, зачем нам куда-то лететь, если на Земле мы и так имеем десятки тысяч фрагментов астероидов — метеоритов — которые достались нам совершенно бесплатно и которые мы можем спокойно анализировать в лаборатории?
Надо обратить внимание, что те метеориты, которые попадают на Землю, разделяются на две очень большие группы: недифференцированные и дифференцированные — то есть те, что были частями крупных тел, которые испытали процесс дифференциации. Это первичный разогрев, в результате которого тяжелые элементы, по большей части железо, опустились во внутренние области этого тела, а снаружи оказались расплавленные вулканические породы.
В тех случаях, когда тело испытало процесс столкновения с другими космическими объектами, оно разбилось на фрагменты: кора и мантия стали источником для каменных метеоритов, а железное ядро стало источником железных метеоритов. Так, при помощи метеоритов, мы можем исследовать не только состав астероидов, но еще и их некогда существовавшую структуру.
Исследование траекторий падения метеоритов в тех случаях, когда их удается наблюдать, показывает, что они действительно прилетают из Главного пояса астероидов. Больше того, в некоторых случаях удается даже примерно установить родительский астероид.
Далеко не всегда ученым так везет, и тогда на помощь приходит все тот же спектральный анализ: содержание в метеорите различных веществ, например, металлов, можно сопоставить с данными астероидов и так вычислить, фрагмент какого мы наблюдаем.
Особенно верно это в случае метеоритов класса HED, спектры которых очень близко напоминают спектр астероида Веста. То есть мы на Земле имеем обломок совершенно конкретного астероида.
С одной стороны, это очень удобно, с другой — отождествить метеорит с родительским астероидом удается буквально для нескольких объектов, и результаты эти не всегда надежны.
Еще одно возражение: анализ всей совокупности метеоритов показывает, что мы имеем дело примерно с полутора сотнями родительских тел, тогда как количество астероидов приближается к миллиону. То есть эта выборка не репрезентативна.
Гораздо интереснее было бы исследовать астероиды на месте — в этом случае у нас уже было бы точное соответствие данных и конкретного объекта. К тому же мы сможем исследовать рельеф, поскольку будем иметь дело с телом целиком, а не с маленьким его фрагментом. Однако пока что мы таким образом можем исследовать совсем небольшое количество объектов. И, конечно, стоит это очень и очень дорого.
Полеты к астероидам
Тем не менее, космическая эра развивается, и полеты к астероидам уже неоднократно совершались, в будущем же их станет еще больше.
Первым космическим аппаратом, который исследовал астероид, стал американский Галилео. Основной его целью была система Юпитера, но уже в то время, когда шло планирование миссии, в конце 80-х годов, предполагалось, что целесообразно было бы исследовать что-то еще по пути.
Так в 1991 году состоялся подлет к Гаспре, а в 1993 — к Иде. Они стали первыми астероидами, изображения которых получилось передать на Землю. Изображения были сняты с очень большого расстояния и оказались не очень удачными, поэтому после полетов к Гаспре и Иде вопросов стало больше, а не меньше. Но точно стало ясно, что астероиды, даже такие маленькие, являются довольно сложными объектами, заслуживающими более вдумчивого изучения.
Итогом стала миссия NEAR-Shoemaker, в задачу которой входило уже конкретно исследование астероидов: Матильды, который исследовался с пролетной траектории, и околоземного Эроса — он исследовался с орбиты самого астероида.
Сближение с Матильдой произошло в 1997 году на расстоянии в 1200 км. Это астероид класса С, то есть состоящий, предположительно, из углерода, диаметром 53 км. Главной его особенностью оказались очень большие кратеры, размеры которых сопоставимы с размерами самого тела. До этого предполагалось, что при крупном столкновении астероид разрушается, поэтому увидеть такие большие кратеры было совершенно неожиданно.
Но основной целью миссии NEAR-Shoemaker был астероид Эрос. Его исследования велись целый год, с 2000 по 2001. Причем, наблюдения велись с очень разных орбит и закончились посадкой зонда на поверхность Эроса. Посадка оказалась такой мягкой, что зонд смог еще две недели передавать данные о химическом составе поверхности астероида.
Его детальное изучение показало, что мы имеем дело с геологически сложным телом, на котором присутствует большое количество разнообразных форм рельефа, а также активное перемещение вещества. Исследователей по-настоящему удивили «пылевые пруды» — углубления, «затопленные» пылью. То есть вещество на Эросе не только перемещается, но и обладает текучестью и может заполнять углубления. Возможно, это связано с тем, что частицы солнечного ветра сообщают пылинкам некий электрический заряд, и они начинают как бы «левитировать» над поверхностью, что и делает их такими подвижными.
Проект Muses-C
Весьма амбициозный проект японского космического агентства под названием Muses-C ставил задачу впервые собрать и привезти на Землю образцы вещества астероида. Зонд Хаябуса отправился в путешествие в 2003, приземлился на астероид Итокава в 2005, взял пробы и вернулся на Землю в 2010 году.
В итоге было собрано 1,5 тысячи частиц размером до 300 микрон — это примерно треть миллиметра, такие частички можно увидеть даже без микроскопа.
По химическому составу частицы оказались близки к обыкновенным хондритам — самому распространенному виду метеоритов. Но, конечно, полной копией они не являются. Частицы были подвержены космическому выветриванию — у всех них верхний слой сильно отличался от более глубоких. На пылинках в больших количествах обнаружились микрократеры, а также поры и трещины — в них обнаружились следы воды. Это подтвердило предположение о том, что вода могла попасть на Землю из Пояса астероидов.
Совсем свежий результат исследования этих частиц, опубликованный в 2020 году, показал, что один из основных минералов, входящих в состав астероидов — это троилит, сульфит железа FeS. Интересно также наличие на частичках железных «усиков» из серы. Так, выяснилось, что под действием солнечного ветра сера может выделяться из твердых тел. Сера — не последний по важности элемент и в планетообразовании, и в существовании живых существ.
Современные исследования
Значительная часть современных исследований астероидов связана с зондом Dawn — Рассвет. Американский космический аппарат был запущен 27 сентября 2007 года. Он стал первым космическим аппаратом, который целенаправленно посетил два астероида для изучения их с орбит — Весту в 2011 году и Цереру в 2015.
Первой целью стал астероид Веста — прародитель спектрального класса V, разрушение которого, предположительно, породило вестоиды и метеориты клана HED. По сравнению со всеми предыдущими астероидами у Весты просто огромный диаметр — целых 525 км. В верхней своей части Веста имеет более округлую форму, нижняя же часть приплюснутая и представляет собой остаток очень древнего кратера — самого глубокого кратера в Солнечной системе. Его глубина составляет порядка 25 км, а диаметр — почти 500 км. Центральная горка этого кратера, называемого Реясильвия, является второй из самых высоких гор в Солнечной системе после вулкана Олимп на Марсе. И очень сильно превосходит высочайшие горы на Земле.
Анализ внутреннего строения Весты показывает, что она, скорее всего, дифференцирована. Иногда из-за этого ее называют самой маленькой планетой Солнечной системы, поскольку у нее есть железное ядро и каменистая мантия.
Церера — крупнейший астероид в Главном поясе, так называемая карликовая планета. Его диаметр — 939 км, а масса — 9,4 х 1020 кг, что составляет треть полной массы Главного пояса астероидов.
Первое, что бросается в глаза — отсутствие крупных кратеров. Это говорит о том, что поверхность Цереры более пластична, чем у других астероидов, и обладает свойствами «заживлять раны». Сейчас предполагается, что внутри у Цереры находится каменистое ядро, которое окружено веществом, богатым водяным льдом и другими летучими соединениями. Именно этим объясняется относительная гладкость поверхности астероида.
То, что у Цереры ядро каменное, а не железное, установлено, конечно, неточно — это предположение базируется на данных о ее гравитационном поле. Почему у Цереры при ее размерах нет железного ядра — большой вопрос, занимающий ученых. Есть предположения, что она прилетела из более далеких областей Солнечной системы, где было холоднее, и где в ее состав успели войти более летучие соединения.
Также мы можем встретить на Церере редкое для Солнечной системы явление — криовулканизм. Анализ вулкана, горы Ахуна, показывает, что он был активен в относительно недалеком геологическом прошлом.
В экваториальной области астероида в основном сосредоточено железо, в полярных областях — в основном водяной лед. Запас льда на Церере — 200 миллионов кубических километров, что превосходит количество пресной воды на Земле.
Исследователей сначала очень удивили небольшие светлые пятна на поверхности астероида — издалека они выглядели как прожекторы, и некоторые подумали, что наконец-то встретили базу инопланетян. Но все оказалось прозаичнее — это места выхода летучих пород, гидрокарбоната натрия, то есть обычной соды. Также на Церере была обнаружена органика, но какая именно, сказать пока нельзя.
В настоящее время выполняется несколько проектов по исследованию астероидов.
Зонд Хаябуса-2 запустили 3 декабря 2014 года для исследования астероида Рюгу — очень маленького астероида класса C. Американский проект Osiris запустили 8 сентября 2016 года, на астероид Бенну он прибыл в 2018 году, его возвращение на Землю планируется в 2023.
На Бенну ученые обнаружили новую неожиданность — оказалось, что с его поверхности время от времени вылетает значительное количество пылинок, причем в тех местах, откуда они вылетают, как-будто бы ничего значительного не происходит. Частицы вылетают в огромном количестве и с такими большими скоростями, что даже могут менять скорость вращения самого астероида.
Так что в будущем нас, несомненно, ждет много открытий. Уже сейчас планируются миссии, связанные не только с изучением, но и с освоением, использованием астероидов. Существуют и проекты, нацеленные на потенциально опасные астероиды с целью изменить их траекторию в случае опасности столкновения с ним. Рассматривают астероиды и как источник редких металлов, но пока что ученые не решили проблему ни их добычи, ни транспортировки на Землю.
