У процесі вивчення Сонячної системи астрономи іноді відкривали нові класи об’єктів. Багато з них з’являлося на перетині вже відомих класів. Таким «проміжним» типом заведено вважати квазісупутники — малі тіла, що рухаються навколо Сонця самостійними орбітами, але при цьому можуть обертатися навколо якоїсь із великих планет.
Гравітаційні «пастки» Лагранжа
У 1906 році німецький астроном Макс Вольф розгледів на фотопластинці ледь помітну цятку, яка виявилася зображенням нового астероїда. Пізніше йому присвоїли ім’я Ахіллес (588 Achilles). Цей об’єкт рухається далеко за межами Головного астероїдного поясу — його «місцем проживання» є орбіта Юпітера, найбільшої планети Сонячної системи. Їхній період обертання навколо Сонця також збігається, і відносно одне одного ці два тіла є майже нерухомими.
Відкриття було несподіваним, але вчених воно не надто здивувало. Ще 1772 року французький математик Жозе-Луї Лагранж, намагаючись аналітично розв’язати так звану задачу трьох тіл, виявив, що це можливо лише в кількох випадках. У системі, де тіло меншої маси обертається навколо значно важчого коловою орбітою, можна виділити п’ять положень, у яких третє тіло — набагато легше за два перших — зберігатиме відносно них незмінне положення. Ці положення позначили великою літерою L і назвали точками Лагранжа.
Три з цих точок розташовані на прямій, що проходить крізь центри двох масивних тіл. Вони нестабільні: якщо орбіта другого компонента відрізняється від колової чи має місце гравітаційний вплив з боку ще якогось тіла — об’єкт, який потрапив до них, врешті буде звідти «виштовхнутий».
Але найцікавіші точки — їм присвоїли позначення L₄ та L₅ — рухаються орбітою другого тіла з такою самою швидкістю, випереджаючи та відстаючи від нього на 60°. Фактично разом із першими двома тілами вони утворюють два рівносторонніх трикутники. Вони є своєрідними гравітаційними «пастками»: об’єкт, що потрапив туди, має тенденцію повернутися на місце, навіть якщо його спробувати звідти виштовхнути. Саме в точці L₄ системи Сонце — Юпітер був відкритий Ахіллес. Перший астероїд у точці L₅, Патрокл (617 Patroclus), відкрив колега Вольфа, Август Копф, того ж 1906 року. Пізніше стало традицією давати їм імена героїв Троянської війни. Зараз таких об’єктів на орбіті найбільшої планети відомо вже кілька тисяч.
Звичайно, юпітеріанська орбіта далеко не колова й має відчутний ексцентриситет. На додачу тіла у лагранжевих точках на ній зазнають гравітаційного впливу інших планет, що незмінно виводить їх із рівноваги. Тому троянські астероїди не перебувають постійно в цих точках, а коливаються відносно них, часом доволі сильно. Буває, що об’єкт відходить від них достатньо далеко — настільки, що починає інтенсивно притягуватися Юпітером і врешті «оббігає» його, але потім все одно вертається до якоїсь із точок Лагранжа. При цьому такі «втікачі» описують відносно планети дивні фігури, які важко назвати класичними орбітами, але, оскільки їхні шляхи замкнені навколо масивного тіла, їх можна вважати його супутниками. Неважко зрозуміти, що невеликого стороннього гравітаційного поштовху їм буває достатньо для того, щоб перетворитися на справжній супутник великої планети.
Переважну більшість таких випадків астрономи відстежують саме на прикладі Юпітера — наймасивнішої планети Сонячної системи. З одного боку, він має потужну гравітацію, з іншого — не дуже великий період обертання навколо Сонця (менше ніж 12 років). Стільки ж триває «рік» і на троянських астероїдах. А ті з них, які відходять далеко від лагранжевих точок, можуть «виписувати петлі» десятиліттями. У випадку інших планет-гігантів, один оберт яких триває ще довше, подібні процеси розтягуються на століття. До того ж через віддаленість від нашого світила невеликі астероїди на їхніх орбітах набагато важче спостерігати.
Підкови та пуголовки
Біля Землі можна спостерігати тіла значно менших розмірів (десятки та сотні метрів). І, що важливіше, час їхньої орбітальної еволюції, як правило, значно менше тривалості людського життя, а отже, дозволяє її досліджувати на багатьох прикладах. Об’єкти, що здатні підходити до нас на відстань менше ніж 0,3 а.о. (44,9 млн км), відносять до близькоземних астероїдів — англійською Near-Earth asteroids. Наразі їх відомо вже понад 30 тисяч.
Серед такої чималої кількості можна було б очікувати знайти кілька десятків «троянців» на земній орбіті, але насправді поки що їх відомо лише два: 2010 TK7 і 2020 XL5. Обидва мешкають в районі лагранжевої точки L₄, причому перший із них часом «відлітає» з неї досить далеко та наближається до точки L₃, розташованої на протилежному боці від Сонця відносно Землі. Однак у нинішню епоху жоден із них не підходить до нас достатньо близько, щоб вважати його нашим супутником, хоча б із префіксом «квазі».
Але це визначення цілком пасує іншій категорії об’єктів — тих, у яких період обертання навколо Сонця майже дорівнює земному року. В системі координат, що обертається разом із Землею, вони вимальовують чудернацькі замкнені криві. Якщо всередині такої кривої опиняється наша планета — скидається на те, наче вона отримала супутника, що обертається навколо неї на великій відстані в напрямку, протилежному напрямку обертання великих планет.
Звісно, повних збігів у нашому Всесвіті не буває — зазвичай період обертання такого квазісупутника навколо Сонця насправді трохи довше чи трошки коротше відповідного показника Землі. В уже згаданій системі координат це матиме такий вигляд: «квазіорбіта» об’єкта поступово змінюватиме своє положення, і врешті він отримає можливість підходити близько до нашої планети. А далі все залежить від нахилу цієї орбіти до екліптики. Якщо він достатньо великий, у просторі астероїд розминатиметься з Землею на безпечній відстані, й це не матиме для нього суттєвих наслідків. Але якщо нахил менше ніж 5°, або один із вузлів (точок перетину астероїдної орбіти з екліптикою) випадково опиниться поблизу земної орбіти — виникає можливість тісного зближення, під час якого земна гравітація сильно змінить траєкторію небесного тіла, скоротивши чи збільшивши його період. В обох цих випадках воно перестане бути квазісупутником.
Варіант із гравітаційним захопленням на навколоземну орбіту в цьому випадку не працює, оскільки наближення до Землі відбувається з надто великою швидкістю. Можливі лише два варіанти її погашення: гальмування в земній атмосфері та втручання гравітації Місяця. Але обидва вони мають спрацювати з величезною точністю і є вкрай малоймовірними.
Та все ж деякі астероїди примудряються виходити на орбіту навколо Землі, стаючи на певний час її справжніми супутниками. Як це їм вдається?
Як уже згадувалося, тіла, що перебувають біля лагранжевих точок L₄ та L₅ системи Земля — Сонце, досить сильно розхитуються гравітацією інших планет, передусім Юпітера. Завдяки цьому вони починають рухатися відносно нашої планети складними траєкторіями, що нагадують краплю з вигнутим хвостом або пуголовка. Якщо збурюючий вплив був особливо потужним, на певній частині такої траєкторії об’єкт починає наближатися до Землі та може бути захоплений її гравітацією, оскільки його відносна швидкість за таких зближень невелика. Часто такому захопленню допомагає Місяць.
Але все ж частіше спостерігається протилежна картина: в точці найбільшого зближення наша планета надає об’єкту гравітаційний «імпульс», і він починає віддалятися від нас. При цьому його геліоцентрична орбіта змінюється несуттєво, проте в координатах Земля — Сонце описувана ним петля помітно видовжується. Буває, що її хвостовий кінець простягається до лагранжевої точки L₃, астероїд проскакує її… та починає наближатися до нас уже з іншого боку. Тепер його траєкторія з погляду наземних спостерігачів нагадує велетенську підкову, між кінцями якої розташована Земля. І в такий гравітаційний «пінг-понг» вона може грати століттями, поки в ці «ігри» не втрутиться сила тяжіння якоїсь іншої планети.
Серед астероїдів на підковоподібних і пуголовкоподібних орбітах не так уже й багато тих, що можуть загрожувати нашій планеті зіткненням: вона чудово захищається від них самостійно. Вчених такі астероїди цікавлять з огляду на інше. Відправлення до них космічного апарата з Землі з наступним поверненням вимагає навіть менших витрат палива, ніж подорож на Місяць. На жаль, пошуки та дослідження «земних троянців» ускладнюються тим, що більшу частину часу вони перебувають на небі не більше ніж у 60° від Сонця. Проблему можуть вирішити спеціалізовані орбітальні телескопи, але запуск подібних місій поки не планує жодна космічна агенція.
Ця стаття була опублікована у №1 (189) 2023 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній версії можна у нашому магазині.
