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.

Орбита астероида Гермес и его положение в Солнечной системе. Фото: wikipedia.org
Орбита астероида Гермес и его положение в Солнечной системе. Фото: wikipedia.org

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

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

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

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

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.

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

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.

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

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.

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

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.

Траектория полёта КА «NEAR Shoemaker» к астероиду Эрос. Фото: wikipedia.org
Траектория полёта КА «NEAR Shoemaker» к астероиду Эрос. Фото: wikipedia.org

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

Астероид Итокава (снимок аппарата Хаябуса). Фото: wikipedia.org
Астероид Итокава (снимок аппарата Хаябуса). Фото: wikipedia.org

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.

Частицы астероида. Иллюстрация из лекции
Частицы астероида. Иллюстрация из лекции

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.

Астероид Веста. Источник: wikipedia.org
Астероид Веста. Источник: wikipedia.org

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.

Церера. Источник: shutterstock.com
Церера. Источник: shutterstock.com

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.

Вулкан на Церере. Иллюстрация из лекции
Вулкан на Церере. Иллюстрация из лекции

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.

Перейти к содержанию