Астероїди

Астероїд або мала планета — тверде небесне тіло діаметром від 50 м до 1000 км, що рухається по орбіті в Сонячній системі. Об’єкти з розмірами менше 50 м називають метеороїдами, які при входженні в атмосферу Землі здебільшого згорають повністю. Від комет астероїди відрізняються відсутністю коми та характерного кометного хвоста. Астероїди є залишками протопланетного диска після звершення формування Сонячної системи. Їхня загальна кількість перевищує 575 000, а маса — 4,2×10²¹ кг, що складає менше 1% маси Землі. Орбіти більшості відомих астероїдів розташовані в головному поясі.

Пояс астероїдів (головний пояс) — область Сонячної системи, що розташована між орбітами Марса і Юпітера та є скупченням мільйонів об’єктів різних форм і розмірів. Їхня сумарна маса приблизно дорівнює 3×10²¹ — 3,6×10²¹ кг, що складає всього лише 4% від маси Місяця, а більше половини цієї маси зосереджено в чотирьох великих об’єктах: Церері, Палладі, Весті, Гігеї, причому на Цереру припадає третина від загальної маси астероїдів головного поясу. Церера — єдина у поясі астероїдів карликова планета та має масу яка вдвічі перевищує сумарну масу Паллади і Вести. Більшість інших астероїдів доволі дрібні з розмірами аж до кількох десятків метрів, а у космічному просторі вони настільки сильно розсіяні що жоден космічний апарат, який пролітав через пояс астероїдів, не був пошкоджений.

Існують групи астероїдів і за межами головного поясу:

• навколоземні астероїди — астероїди з орбітами які знаходяться неподалік орбіти Землі. Деякі з них, наприклад група Аполлона і група Атона, перетинають орбіту Землі і потенційно можуть з нею зіткнутися, тому їх вивченню приділяють значну увагу;
• троянські астероїди — перебувають під сильним впливом гравітації Юпітера і синхронізовані з ним у русі. Троянці знаходяться попереду або позаду Юпітера на його орбіті. Троянців також було виявлено в Нептуна і Марса;
• кентаври — астероїди, орбіти яких лежать між орбітами Юпітера й Нептуна.

Тіла, що більшу частину часу перебувають далі орбіти Нептуна, називають транснептуновими об’єктами.

На формування та еволюцію поясу астероїдів суттєво впливає гравітаційне поле найбільшого та найближчого до поясу газового гіганта Сонячної системи — Юпітера. Воно постійно вносить значні збурення в орбіти планетозималей, а отримана від Юпітера надлишкова орбітальна енергія призводить до жорсткіших зіткнень цих тіл між собою, що перешкоджає утворенню в цій області Сонячної системи протопланети. В результаті більшість планетозималей розкололась на численні дрібні фрагменти, більша частина яких або була викинута за межі Сонячної системи, або перейшла на витягнуті орбіти, рухаючись по яких потрапляла у внутрішню область Сонячної системи та зіштовхувались з планетами земної групи.

Гравітація Юпітера також створює області нестійких орбіт, потрапляючи в які астероїд за відносно короткий проміжок часу або викидається за межі Сонячної системи, або починає перетинати орбіти внутрішніх планет. Наразі астероїдів в таких областях практично не залишилося, проте орбіти багатьох невеликих астероїдів продовжують повільно змінюватися під впливом інших факторів.

Астероїди головного поясу ділять на три групи за спектром, а отже і складом: вуглецеві (клас C), силікатні (клас S) і металеві (клас M). Усі ці групи, особливо клас металевих астероїдів, є цікавими для промислового освоєння.

Передісторією початку вивчення поясу астероїдів послужило правило Тиціуса-Боде, що наближено описує відстані від Сонця до місцезнаходження потенційних планет за емпіричною формулою:

a_i = 0,4 + 0,3 · 2^i-2,

де i — порядковий номер планети (для Меркурія i = -∞, а i = 5 не відповідає жодній відомій планеті); a — середня відстань від Сонця в астрономічних одиницях (для Землі дорівнює 1 а. о., що еквівалентно 149 597 870 700 м).

Вперше це правило було сформульоване і опубліковане німецьким фізиком і математиком Йоганном Тиціусом у 1766 році, але незважаючи на те що воно було справедливим для всіх шести відомих на той момент планет від Меркурія до Сатурна, довго не привертало уваги допоки у 1781 році не був відкритий Уран, велика піввісь якого точно відповідала передбаченій даною формулою. Після цього Йоганн Елерт Боде висловив припущення про можливість існування досі невиявленої п’ятої планети між орбітами Марса і Юпітера на передбачуваній формулою відстані 2,8 а. о. від Сонця. Першим пошуки планети розпочав барон Франц Ксавер у 1787 році, який після кількох років невдалих спостережень у 1800 році зібрав групу, відому під назвою „небесна поліція”, що складалася з 24 вчених які проводили спільні пошуки. Серед них — Вільям Гершель, Шарль Мессьє і Генріх Ольберс. Вони поділили зодіакальну частину неба в районі екліптики на 24 частини, надавши кожному астроному групи для пошуків планети область шириною 15°. Астрономи описували координати всіх зірок в області зодіакальних сузір’їв станом на певний момент часу. В наступні ночі ці координати перевірялися, при цьому виділялися об’єкти що зміщувалися відносно статичних зірок. Передбачуване зміщення планети мало становити близько 30″, а отже його можна було легко помітити.

Незважаючи на усі зусилля „небесної поліції”, планета випадково була виявлена в ніч на 1 січня 1801 року італійським астрономом Джузеппе Піацці, що не був учасником клубу. Складаючи повний каталог зірок в сузір’ї Тельця, він виявив маленьку точку світла, що рухалась на фоні зір. Наступні спостереження підтвердили що вона є новим об’єктом Сонячної системи. Спершу Піацці прийняв її за комету, але відсутність коми наштовхнули його на думку що цей об’єкт може бути планетою, що невдовзі отримала назву Церера. Вона знаходилась на відстані 2,77 а. о. від Сонця, що майже точно відповідало правилу Тиціуса-Боде. Згодом об’єкт було втрачено, проте завдяки складним розрахункам Карла Гауса за розробленим ним методом найменших квадратів її знову виявили.

28 березня 1802 року Генріхом Ольберсом був відкритий другий великий об’єкт у цій же області Сонячної системи — астероїд Паллада, велика піввісь якої була приблизно такою ж як у Церери, проте ексцентриситет і нахил сильно відрізнялися. Диски обох небесних тіл не вдавалося розгледіти навіть в найсильніші телескопи того часу, а від зірок вони відрізнялися лише своїм рухом. Тому після їх вивчення Вільям Гершель 6 травня 1802 року запропонував класифікувати їх як окрему групу об’єктів, названу ним „астероїди”. Проте астрономи ще кілька десятиліть називали ці об’єкти планетами, наприклад Церера вважалася планетою до 1860-х років, поки її не було віднесено до класу астероїдів, в якому вона перебувала аж до 2006 року, після чого її разом із Плутоном та іншими транснептуновими об’єктами перевели до новоствореного класу карликових планет. Зі збільшенням кількості відкритих астероїдів система їх класифікації ставала все більш громіздкою, тому на початку 1850-х років за пропозицією Александра фон Гумбольдта вони все ж були виключені зі списку планет і почали дедалі частіше називатися астероїдами.

До 1807 року були відкриті Юнона і Веста, проте відшукати нові астероїди не вдавалося аж до 1845 року, коли Карл Людвиг Генке після п’ятнадцяти років пошуків виявив Астрею, а у 1847 — Гебу. Після цього до пошуків нових об’єктів долучилися й інші астрономи, і відкриття пішли прискореними темпами. До середини 1868 року кількість відомих астероїдів становила вже більше сотні. Щоб якось пояснити таку кількість тіл на близьких орбітах з позиції правила Тиціуса-Боде, була висунута гіпотеза про гіпотетичну планету Фаетон, що раніше розташовувалася на орбіті між Марсом і Юпітером та була зруйнована на ранніх етапах формування Сонячної системи внаслідок зіткнення з кометою. Згодом ця гіпотеза була спростована, оскільки виявилося що через гравітаційний вплив Юпітера на такій відстані від Сонця утворення досить великого тіла є неможливим. Скоріш за все пояс астероїдів є не зруйнованою планетою, а планетою що так і не змогла сформуватися.

Відкриття Церери у січні 1801 року на близькій до передбаченої формулою відстані від Сонця посилило довіру астрономів до правила Тиціуса-Боде. Проте відкриття Нептуна у 1846 році повністю дискредитувало це правило, оскільки велика піввісь орбіти Нептуна сильно відрізнялася від передбаченої правилом.

Новий етап у відкритті астероїдів почався із застосування Максом Вольфом методу астрофотографії, що полягав у фотографуванні нічного неба з довгим періодом експонування, в результаті чого астероїди залишали короткі світлі лінії, в той час як зірки залишалися точками внаслідок синхронізації руху телескопа і обертання небесної сфери. Завдяки цьому методу Макс Вольф виявив 248 астероїдів. Перші 1000 астероїдів були відкриті вже до жовтня 1921 року, 10 000 — до 1981 року, 100 000 — до 2000. Станом на 6 вересня 2011 року кількість пронумерованих астероїдів становила 285 075.

У 1898 році Ґуставом Віттом було відкрито астероїд Ерос, що може наближатися до Землі на досить близьку відстань. Згодом були виявлені й інші астероїди, що наближаються до земної орбіти проте не перетинають її. Їх виділили в окрему групу Амура. У 1906 році Макс Вольф виявив Ахіллес, що рухається орбітою Юпітера поблизу точки Лагранжа. З тих пір подібні астероїди називають троянцями. У 1932 Карлом Рейнмутом був виявлений Аполлон, орбіта якого перетинає орбіти Землі, Венери і Марса. Це перший відкритий представник групи Аполлона, об’єкти якої у перигелії наближаються до Сонця ближче ніж Земля.

У 1976 році Елеанорою Гелін відкрито Атон — перший представник групи Атона. Велика піввісь орбіти цих астероїдів менша 1 а. о., а відстань від Сонця в афелії більша за 0,938 а. о. У 1977 році виявлено Хірон з групи астероїдів що перетинають орбіти газових гігантів, які потім назвуть кентаврами, оскільки вони мають ознаки як астероїдів, так і комет.

Першим космічним апаратом, що 16 липня 1972 року пролетів через пояс астероїдів, став „Піонер-10”. Тоді ще існувало занепокоєння з приводу можливого зіткнення апарата з одним із невеликих астероїдів, однак з того часу на шляху до зовнішніх планет без інцидентів пролетіло вже 9 космічних апаратів. Зараз вірогідність незапланованого зближення космічного апарата з яким-небудь астероїдом оцінюється менше ніж 1 до 1 000 000 000. „Піонер-11”, „Вояджер-1”, „Вояджер-2” та зонд „Улісс” пролітали через пояс без запланованих чи випадкових зближень з астероїдами. Апарат „Галілео” став першим космічним апаратом який зробив знімки астероїдів, першими з яких були 951 Гаспра у 1991 році та 243 Іда в 1993. Після цього в NASA прийняли програму, згідно з якою будь-який апарат, що пролітає через пояс астероїдів, за можливості має пролетіти повз який-небудь астероїд. В наступні роки космічними апаратами були отримані зображення багатьох малих об’єктів, серед яких 253 Матільда у 1997 році з апарату NEAR Shoemaker, 2685 Мазурський в 2000 з „Кассіні”, 5535 Анафранк в 2002 з „Стардаст”, 132 524 APL в 2006 з New Horizons, 2867 Штейнс в 2008 та 21 Лютеція в 2010 з „Розетти”. Більшість зображень астероїдів головного поясу отримані в результаті близького прольоту зондів на шляху до основної мети місії. Для детального вивчення астероїдів відправляли лише два апарата: NEAR Shoemaker, який досліджував 443 Ерос і 253 Матільду, та „Хаябуса”, метою якого було вивчення 25 143 Ітокава. Апарат протягом тривалого часу вивчав поверхню астероїда і вперше в історії доставив частинки ґрунту з його поверхні. 27 вересня 2007 року до найбільших астероїдів — Вести і Церери — було відправлено автоматичну міжпланетну станцію Dawn. Апарат досягнув Вести 16 липня 2011 року та вийшов на її орбіту, а через півроку вирушив до Церери, якої досягнув у 2015.