Загадки двойных астероидов

Космос чрезвычайно разнообразен. Человеческая фантазия создает воображаемые миры, основываясь на самых смелых и удивительных предположениях… Но часто случается так, что после очередного открытия в астрономии становится понятным: никакая буйная фантазия не способна придумать столь невероятные объекты, краски и формы, как те, которые создает сама природа.

Спутники астероидов еще не так давно существовали только в воображении ученых. Первым реально обнаруженным объектом этого класса стал спутник астероида Ида (243 Ida), открытый в 1993 г. космическим аппаратом Galileo на его пути к Юпитеру.1 Он имеет размер 1,4 км и получил имя Дактиль (Dactyl). С тех пор подобные астероиды со спутниками, а также двойные астероиды, были найдены во всех областях Солнечной системы. На данный момент уже известно 259 таких объектов.

Что же они из себя представляют? По определению, такие системы состоят из двух гравитационно связанных астероидов, вращающихся вокруг общего центра масс. Если оба компонента имеют сравнимые размеры — центр масс будет находиться в пространстве между ними. Если же размер одного компонента значительно превышает размер другого, центр масс окажется внутри более крупного тела (такие системы чаще называют астероидами со спутником).

История двойных астероидов

Первые догадки о существовании двойных астероидов возникли еще в начале XX века. Тогда французский ученый Шарль Андре (Charles André), изучая кривую блеска астероида Эрос (433 Eros), схожую с кривыми блеска двойной звезды β Лиры, предположил его двойственность. Впоследствии эта догадка не подтвердилась. Далее последовал еще ряд подобных предположений, подкрепленных косвенными доказательствами наличия таких тел в Солнечной системе — об этом явно свидетельствовали двойные кратеры на поверхностях планет и их спутников. Однако, несмотря на все старания астрономов, первый спутник астероида был открыт не с помощью наземных наблюдений, а, как уже говорилось, с борта космического аппарата, причем совершенно неожиданно.

Первым же астероидом, двойственность которого была подтверждена благодаря анализу изменений его яркости, стал полуторакилометровый Дионис (3671 Dionysus) из группы «амурцев» — объектов, иногда подходящих к Земле на сравнительно небольшое расстояние. Об открытии сообщили в 1997 г. сотрудники Европейской Южной обсерватории. Спутник имеет поперечник около 300 м и движется по орбите с большой полуосью 3,6 км; период его обращения составляет почти 28 часов. Для гипотетических наблюдателей на поверхности Диониса он выглядит в шесть раз большим, чем Луна для жителей Земли.

В 1998 г. состоялось открытие спутника Маленький принц у астероида Евгения (45 Eugenia). Это был первый случай, когда «астероидную луну» удалось непосредственно сфотографировать с Земли. Открытие было сделано на обсерватории Мауна Кеа3 с помощью канадско-франко-гавайского телескопа CFHT с системой адаптивной оптики. С применением этой же техники в 2000 г. обнаружили двойственность еще двух объектов астероидного пояса: Пулкова (762 Pulkova) и Антиопа (90 Antiope).4 В том же году еще два двойных астероида, получившие обозначения 2000 DP107 и 2000 UG11, впервые были открыты в околоземном пространстве — на этот раз уже с помощью радаров. С тех пор количество открытий астероидных пар растет как за счет наземных наблюдений, так и благодаря космическим аппаратам. Основная часть их находится в главном поясе: 105 двойных систем и 6 объектов, имеющих по 2 спутника. Кроме того, немало таких астероидов известно и среди транснептуновых объектов: с момента открытия первого из них в 2000 г. (1998 WW31) астрономы смогли обнаружить за орбитой самой далекой планеты 76 двойных и 2 тройных астероида.

Методы наблюдений

Космические аппараты. Одним из самых эффективных, но также и самых дорогих методов изучения и обнаружения спутников астероидов является отправка к ним межпланетных аппаратов. Правда, для того, чтобы уверенно утверждать, что одно тело находится на орбите вокруг другого, необходимо достаточно длительное пребывание зонда в окрестностях исследуемого объекта: существует вероятность (хоть и крайне малая), что с пролетной траектории может быть запечатлено случайное сближение двух тел. Поэтому, в частности, после открытия Дактиля для доказательства того, что он действительно является спутником Иды, были проведены спектральные исследования. Анализируя снимки поверхности этого спутника, ученые смогли выдвинуть предположения о его внутреннем строении и сделать вывод о том, что он, скорее всего, представляет собой «воссоединившуюся» после удара груду обломков (англ. rubble pile), выбитых из «материнского» тела. Вдобавок на основании полученных фотографий были предложены различные модели возможного происхождения и истории Дактиля. Например, по размерам кратеров и характеру их распределения удалось примерно оценить возраст обоих тел: он вряд ли намного превышает 2 млрд лет.

После успеха зонда Galileo был запущен аппарат NEAR Shoemaker, пролетевший мимо астероида Матильда (253 Mathilde) и вышедший на орбиту вокруг Эроса. К сожалению, поиски спутников этих астероидов оказались безуспешными, несмотря на то, что в программу исследований специально включили получение качественных снимков их окрестностей, чего не было в программе Galileo.

В настоящее время готовится еще одна космическая миссия к двойному объекту. Ее цель — астероид Дидим (65803 Didymos) со своим небольшим спутником, получившим неофициальное название «Didymoon». Проект AIDA — эта аббревиатура расшифровывается как Asteroid Impact & Deflection Assessment — является коллективной программой Европейского космического агентства и NASA. Дидим в качестве цели выбран неспроста: его орбита близка к земной и позволяет отправить к нему исследовательский зонд со сравнительно небольшими затратами топлива. На самом деле космических аппаратов будет два: первый, названный AIM (Asteroid Impact Monitor), должен наблюдать за тем, как второй — зонд-ударник DART (Double Asteroid Redirection Test) — врежется в спутник Дидима со скоростью около 6,5 км/с. В качестве цели проекта заявлено изучение возможности изменения его траектории за счет удара. Этот опыт может пригодиться для предотвращения столкновения астероидов с Землей. Сам Дидим не представляет угрозы для нашей планеты. Эксперименты в рамках миссии AIDA запланированы на 2022 г.

Наземные наблюдения. Техника адаптивной оптики позволяет минимизировать искажения, вносимые неоднородностями земной атмосферы в изображения небесных тел, получаемые на крупных телескопах. Эта техника позволила достичь значительных успехов в обнаружении спутников астероидов. Но и при ее отсутствии проводить наблюдения двойных астероидов с Земли все же возможно, используя ПЗС-матрицы на инструментах большого диаметра. В частности, такая методика позволяет наблюдать удаленные от Солнца объекты, чего пока не удавалось на инструментах с адаптивной оптикой из-за слишком слабого сигнала. Таким способом в 2000 г. на телескопе CFHT была впервые обнаружена двойственность далекого транснептунового объекта 1998 WW31. С помощью радаров обсерваторий Голдстоун (Калифорния) и Аресибо (Пуэрто-Рико) впервые был открыт двойной астероид в околоземном пространстве.

Исследования переменности блеска астероидов, ведущиеся с 1970-х годов, позволяют регистрировать покрытия и затмения компонентов бинарных систем, когда один из них закрывает от наблюдателя или от солнечного света часть поверхности другого. При этом кривая их суммарного блеска имеет два периода колебаний, которые накладываются сложным образом: один — обусловленный вращением большего астероида несферической формы, второй — как правило, более длинный — связан только с происходящими в системе взаимными покрытиями и затмениями.

Происхождение и эволюция двойных астероидов

Существует несколько теорий, объясняющих механизмы образования кратных астероидов. Все они исходят из современных представлений, согласно которым большинство астероидов представляет собой рыхлые тела — груды обломков, сгруппировавшиеся в единое тело в условиях слабой гравитации. Такие «кучи щебня», как правило, непрочные, поэтому ударное воздействие на них должно приводить к их полному либо частичному разрушению.

Слияние обломков столкновения. Образование двойного астероида возможно в результате выброса обломков на орбиту при некатастрофическом столкновении (когда подвергнутое удару тело не разрушается полностью — до облака небольших осколков — и сохраняется крупный фрагмент первичного тела). Далее выброшенные вследствие удара обломки под действием гравитации постепенно собираются в небольшой спутник. Другой сценарий возможен при катастрофическом столкновении. В этом случае предполагается, что фрагменты полностью распавшегося астероида могут выйти на орбиты друг вокруг друга. Хотя при разрушительном столкновении средняя относительная скорость разлета обломков, как правило, превышает общую скорость выброса при разрушении первичного тела и они в дальнейшем не будут гравитационно связаны, численное моделирование показало, что от 0,1% до 1% их общей начальной массы может в итоге войти в состав двойной системы. Последние открытия говорят о том, что выброшенные обломки могут сформировать кольцо вокруг «материнского» тела.

Ротационный распад. Иногда, если астероид сталкивается с заметно меньшим по размеру телом, это не приводит к разрушению, но вызывает увеличение скорости его вращения. При этом, если центробежные силы превысят определенную пороговую величину, объект со структурой «кучи щебня» и слабым гравитационным полем не сможет остаться цельным и распадется.

Полученный от удара момент импульса, пропорциональный скорости соударения, перейдет в энергию орбитального вращения. С другой стороны, передача достаточно большого момента с сохранением целостности ударяемого тела весьма маловероятна, особенно с учетом того, что обычная скорость соударения объектов главного пояса — около 5 км/с.

«Раскрутка» астероида может происходить и вследствие гравитационных эффектов при тесном сближении с планетой (особенно если астероид уже имеет вытянутую форму и предрасположен к распаду — такие объекты особенно «чувствительны» к приливному воздействию). Результатом также станет образование двойной или кратной системы.

Такой сценарий подходит для околоземных астероидов. Однако тот же процесс может быть ответственным и за распад «астероидных пар» с появлением двух и более гравитационно не связанных тел на самостоятельных гелиоцентрических траекториях. Учитывая сравнительно короткое время существования объектов на орбитах вблизи земной (несколько десятков миллионов лет) и их частые сближения с нашей планетой, несложно понять, что процессы формирования и распада двойных астероидов находятся в равновесии.

Рассматривается и другой сценарий ротационного распада, который может произойти вследствие так называемого YORP-эффекта. Он заключается в увеличении скорости вращения объектов неправильной формы под действием давления солнечного света. В результате такого эффекта скорость вращения астероида может возрасти настолько, что центробежная сила разорвет его на части.

Теория захвата. Сценарий образования бинарной системы за счет захвата малого астероида бóльшим при сближении возможен, когда их относительные скорости невелики. Такие условия реализовывались главным образом в «молодые годы» Солнечной системы на ее окраинах. И сейчас там, достаточно далеко от Солнца, «обитают» транснептуновые объекты Пояса Койпера. Их кинетическая энергия, пропорциональная квадрату орбитальной скорости, относительно мала — следовательно, для них оказывается возможным образование астероидных пар под действием сил гравитации.

Группы двойных астероидов

Околоземные астероиды. Считается, что основная часть астероидов, сближающихся с Землей, вероятнее всего, имеет структуру «груды обломков». Многие из них вращаются настолько быстро, что скорость их вращения близка к критической величине, при которой рыхлое тело может разделиться надвое. Кроме того, как показывают данные радарного зондирования, часть этих объектов имеет двудольную форму, т.е. они представляют собой так называемые контактные бинарные системы, в которых компоненты касаются друг друга.

Большинство двойных астероидов в околоземном пространстве являются системами с близко расположенными друг к другу компонентами, которые, скорее всего, образовались под влиянием YORP-эффекта.

На поверхностях планет земной группы и Луны уже найдено множество двойных кратеров — их структура указывает на то, что они возникли при падении подобных «двудольных» или тесных двойных объектов. Все это свидетельствует о широкой распространенности двойных астероидов в околоземном пространстве.

Главный пояс. Известные на данный момент двойные астероиды главного пояса демонстрируют широкое разнообразие, сильно отличаясь и по расстоянию между компонентами, и по соотношению их размеров. Большое число этих компонентов, скорее всего, образовалось из осколков столкновений, позже «собравшихся» в отдельные тела. Очевидно, что столкновения играют большую роль в истории формирования главного астероидного пояса, поэтому «осколки-спутники» астероидов являются вполне ожидаемыми в этой области Солнечной системы. Тем не менее, многие из малых тел также могли быть образованы в результате YORP-эффекта.

Транснептуновые объекты и кентавры. Из примерно 1800 уже известных транснептуновых объектов, как уже упоминалось, 76 представляют собой бинарные системы, еще два — тройные. Большинство из них относится к так называемой «группе кьюбивано» — «классических» объектов Пояса Койпера.

Название группы происходит от первого обнаруженного за пределами орбиты Нептуна астероида, получившего индекс 1992 QB1 (Плутон в то время находился ближе к Солнцу). Орбиты таких объектов характеризуются относительно малым эксцентриситетом, они не подходят близко к Нептуну и не пребывают с ним в резонансе, то есть их орбитальные периоды нельзя представить соотношением небольших целых чисел. Большинство известных спутников транснептуновых астероидов находятся на достаточно удаленных орбитах даже по сравнению с системой «Плутон-Харон». Тем не менее, сильные колебания кривой блеска некоторых из них дают основания предполагать возможность существования очень тесных пар.

Среди кентавров (немногочисленная группа объектов между орбитами Юпитера и Нептуна) известно два бинарных астероида. Недавно, в 2014 г., кентавры преподнесли астрономам сюрприз: у двух из них — Хирона (2060 Chiron) и Харикло (10199 Chariklo) — при наблюдениях покрытия ими далеких звезд были обнаружены системы колец.

Заключение

В настоящее время поиски двойных астероидов (в основном фотометрическими методами) ведутся весьма интенсивно. За последние десятилетия ученые достигли неплохих успехов в их изучении, собрав обширный массив кривых блеска и статистических данных. Тем не менее, пока мы имеем довольно скудное представление об этих объектах, несмотря на то, что они несут в себе очень важную информацию о процессах формирования Солнечной системы. Чем больше мы знаем о двойных и кратных астероидах, тем больше мы можем сказать о том, что представляли собой планеты на начальном этапе их формирования. Кроме того, нельзя забывать и о проблеме астероидной опасности: взаимодействие и распад таких объектов вносит элемент непредсказуемости в расчеты их траекторий, производимые для предупреждения столкновений с Землей, что делает весьма важным их дальнейшие исследования.