На ранних этапах своей эволюции Солнечная система представляла собой апокалиптическое зрелище: в ней постоянно происходили столкновения и разрушения, большие по размерам протопланеты поглощали меньше, раскаляясь до высоких температур и превращаясь в огромные шары расплавленной магмы… Сложно было представить, что через несколько десятков миллионов лет один из этих шаров станет местом зарождения жизни. Но и в наше время в окрестностях Солнца существует область пространства, где продолжаются опасные коллизии (хоть и с меньшей интенсивностью). Человечество узнало о ней сравнительно недавно — примерно двести лет назад. Сейчас ее называют Главным поясом астероидов.
В конце XVIII века «семья Солнца» казалась совсем малочисленной по сравнению с тем, что мы знаем на данный момент. Кроме собственно Солнца, она состояла из Меркурия, Венеры, Земли и Луны, Марса, Юпитера с четырьмя спутниками, Сатурна (его «спутниковое семейство» на тот момент считалось самым большим — целых 7, и кольца в придачу) и недавно открытого Урана с двумя «компаньонами». Также была подтверждена периодичность комет Галлея и Лекселя. Эта картина казалась достаточно гармоничной, но многие ученые замечали, что в ней имеется несколько недостатков. И самый большой из них заметил еще в 1596-м знаменитый астроном Иоганн Кеплер, вспомнив о нем в своей книге «Тайна мира» (Mysterium Cosmographicum).
В те времена точность астрономических наблюдений была слишком низкой, чтобы непосредственно измерять расстояния до планет. Учитель Кеплера Тихо Браге смог их оценить в величинах, «привязанных» к среднему радиусу орбиты Земли, который позже начали называть «астрономической единицей» (сокращенно «а.е.»). Размер этой единицы в километрах тогда был неизвестен даже примерно — собственно, сами «километры» и метрическую систему придумают значительно позже. Но зная относительные величины радиусов планетных орбит, несложно было заметить, что в ряду от Меркурия до Марса они растут постепенно, а затем совершают «скачок»: между Марсом и Юпитером, по мнению Кеплера, оказалось достаточно места для еще одной планеты.
Примерно через сотню лет профессор Эдинбургского университета Дэвид Грегори обратил внимание, что уточненные размеры планетных орбит, выраженные в десятых долях расстояния от Земли до Солнца, образуют ряд 4, 7, 10, 15, 52, 95 (эти наблюдения были опубликованы в 1715 году, уже после смерти ученого). Наконец, в 1766-м, переводя книгу Contemplation de la Nature французского астронома Шарля Боннэ, немецкий ученый Иоганн Титц, более известный под латинизированной фамилией Тициус, заметил, что все эти числа, если от них отнять 4, оказываются очень близкими к членам геометрической последовательности со знаменателем 2 — правда, с двумя оговорками: для Меркурия степень последовательности должна была равняться «минус бесконечности», а пятому члену ряда (4+24) не соответствовало ни одной большой планеты. Эти размышления стали широко известными благодаря его соотечественнику Иоганну Бодэ, который привел их со ссылкой на Тициуса в одной из своих книг и предположил, что неизвестная планета между Марсом и Юпитером еще будет найдена. С тех пор эта закономерность планетных расстояний получила название «правило Тициуса-Бодэ».
В 1781 году был открыт Уран, и после вычисления его орбиты стало очевидно, что она тоже прекрасно «вписывается» в это правило. Астрономы с удвоенной энергией взялись за поиски неизвестного объекта между Марсом и Юпитером. В 1796-м на конференции в немецком городе Гота была создана группа из 24 наблюдателей под руководством Франца фон Цаха, которые договорились координировать свои усилия в этом направлении и в шутку назвали себя «небесной полицией». Членами группы были такие известные ученые, как Уильям Гершель (первооткрыватель Урана), Генрих Ольберс и Шарль Мессье. Но долгожданное открытие в итоге сделали не они.
«Первая четверка»
В научно-популярной литературе неоднократно писалось о том, как 54-летний профессор Палермского университета Джузеппе Пиацци встречал новый XIX век на основанной им десятью годами ранее обсерватории, занимаясь измерением координат звезд в созвездии Тельца. Неожиданно он заметил, что одна из звезд за время наблюдений заметно сдвинулась по отношению к другим. До того момента считалось, что так ведут себя только планеты и кометы, но у нового объекта не было ни планетного диска, ни комы и хвоста (характерных для комет). Астроном наблюдал за ним до первой облачной ночи, а потом «потерял».
К счастью, полученных позиционных наблюдений оказалось достаточно, чтобы с помощью нового математического метода наименьших квадратов, изобретенного Карлом Фридрихом Гауссом, вычислить орбиту необычного тела. Она проходила на среднем расстоянии 2,77 а.е. от Солнца — именно там, где ученые надеялись найти «пропущенную планету». Единственная проблема заключалась в том, что если бы новый объект по размеру напоминал хотя бы Луну, он был бы примерно в 20 раз ярче, то есть имел бы четвертую звездную величину, и его давно бы уже заметили невооруженным глазом. Вместо «полноценной» планеты астрономы столкнулись с чем-то существенно меньшим.
В марте 1802 года уже упомянутый «небесный полицейский» Генрих Ольберс вел наблюдения нового объекта, за которым уже закрепилось название «Церера» — в честь древнеримской богини урожая. Неожиданно он заметил неподалеку еще одну «подвижную звездочку», только немного более слабую. Как выяснилось позже, ее орбита имела такой же средний радиус, но была более вытянутой и сильнее наклоненной к эклиптике. Ученый предположил, что оба тела могут быть обломками большей планеты, когда-то существовавшей в этой области пространства. Следовательно, там должны находиться и другие ее фрагменты. И действительно, 1 сентября 1804-го еще одно тело на несколько меньшей и более вытянутой орбите нашел немецкий астроном Карл Хардинг, а в марте 1807-го снова «отличился» Ольберс, открыв четвертый «обломок» — как позже оказалось, самый яркий. Сейчас мы знаем их как Палладу, Юнону и Весту.
Стало ясно, что в астрономии появился новый класс объектов. Уильям Гершель предложил для него название «астероиды», то есть «похожие на звезды» (поскольку тогдашние телескопы не позволяли различить их диски и объекты казались просто искорками света). Как и Ольберс, он считал, что перечень этих тел не ограничится «первой четверкой» и когда-нибудь их откроют гораздо больше. Оба ученых не дожили до 1845 года, когда был найден астероид №5, а дальше открытия таких объектов буквально посыпались, как из рога изобилия — особенно после того, как для поисков стали использовать фотографию.
Время разбрасывать камни
Постепенно установилась процедура регистрации открытий астероидов: они получали предварительное обозначение, связанное с датой открытия, после определения орбиты им давали порядковый номер, а дальше — название (чаще всего его предлагал первооткрыватель, причем назвать астероид своим именем он не мог — такой чести удостаивались только кометы). Вначале среди названий преобладали имена греческих и римских богинь, затем к ним добавились боги мужского пола, а позже — географические топонимы, фамилии ученых, путешественников, деятелей искусств и даже политиков. Тысячный астероид, обнаруженный в августе 1923 года, получил имя «Пиацция». По состоянию на 2020-й объектов этого класса открыто уже больше миллиона, и примерно треть из них пронумерована.
Как уже упоминалось, первой версией происхождения Пояса астероидов было разрушение большой планеты, двигавшейся примерно у 2,8 а.е. от Солнца (для нее даже подобрали из древнегреческой мифологии название «Фаэтон»). Наиболее вероятным кандидатом на роль «разрушителя» считали, конечно, Юпитер с его мощным гравитационным полем, но имелись также гипотезы грандиозного космического столкновения или даже уничтожения Фаэтона в результате деятельности развитой цивилизации, существовавшей на его поверхности.
Когда в середине XX века стало ясно, что практически все крупные объекты в пространстве между Марсом и Юпитером уже открыты и дальнейшие находки «небесных камешков» километровых размеров общей картины почти не изменят, появилась возможность оценить их суммарную массу. Оказалось, что она составляет приблизительно 2,4×10¹⁸ тонн, или же менее 4% массы Луны. Это было слегка маловато для полноценной планеты и заставило ученых искать другие объяснения природы Пояса астероидов. Картина немного прояснилась после появления первых компьютерных моделей эволюции Солнечной системы. Они указывали на то, что планеты-гиганты образовались совсем не на тех орбитах, по которым движутся сейчас: Юпитер изначально располагался заметно дальше от Солнца, а Сатурн, Уран и Нептун — наоборот, ближе. Но в результате взаимных гравитационных возмущений 4 млрд лет назад они почти заняли свои нынешние позиции.
Тем временем за пределами орбиты Земли сформировалось несколько планетоподобных тел, одним из которых был нынешний Марс (ему повезло больше прочих — последующие пертурбации его в целом обошли, хоть и оставили много «шрамов» на его поверхности). Они даже успели пройти фазу частичного расплавления и гравитационной дифференциации, во время которой металлы сконцентрировались в недрах протопланет, а легкие минералы «всплыли» на поверхность. В пространстве между ними блуждало несколько десятков объектов меньшего размера. Возможно, когда-нибудь им все равно суждено было столкнуться с большими и «слиться» з ними, но миграция планет-гигантов привела к совсем другому сценарию.
Когда Юпитер «перескочил» на более близкую к Солнцу орбиту, он начал активно влиять своей гравитацией на объекты во внешних областях нынешнего Пояса астероидов, переводя их на сильно вытянутые эллиптические траектории. В результате средняя скорость взаимных столкновений между телами пояса значительно возросла. Образовавшиеся во время этих столкновений обломки получали большую кинетическую энергию, и вместо того, чтобы в дальнейшем выпадать на поверхность протопланет, преимущественно начали разлетаться в окружающее пространство. Много таких обломков (по некоторым оценкам — до 99% общей массы) было выброшено из Солнечной системы или выпало на поверхность больших планет и их спутников, став причиной так называемой Поздней тяжелой бомбардировки и, между прочим, обогатив водой Землю и Марс. Такой эволюционный сценарий сейчас считается наиболее вероятным.
Потенциальная угроза и источник ресурсов
После появления инфракрасной астрономии ученые зарегистрировали в окрестностях многих звезд характерные диски, состоящие из пыли и каменных обломков. Следовательно, Пояс астероидов не является исключительной особенностью Солнечной системы — такие структуры достаточно распространены во Вселенной. Поскольку все они находятся на разных этапах своей эволюции, исследуя их, мы имеем возможность «заглянуть» и в нашу собственную историю.
Но это не единственная причина, по которой ученых интересуют астероиды. Как уже упоминалось, несколько «первоначальных» объектов Главного пояса перед тем, как разрушиться в результате столкновений, прошли гравитационную дифференциацию, фактически образовав кору, мантию и ядро, как у каменистых планет типа нашей. После ударов других тел все эти компоненты стали доступны непосредственному изучению: те глубинные слои, которых на Земле мы сможем достичь еще очень нескоро (если вообще сможем), у некоторых «небесных камней» оказались буквально на поверхности. Таким образом, исследуя их, мы получим важную информацию о внутренней структуре и составе больших планет.
Эта же особенность астероидов может сделать их источником ценных ресурсов — редких металлов или изотопов химических элементов, присутствующих на Земле в очень малых количествах и требующих больших усилий для добычи. В этой области уже активно работают частные предприниматели, но и крупные государственные космические агентства тоже не отстают — например, NASA организовала полет автоматического аппарата к большому металлическому астероиду Психея.
Но самой важной особенностью Пояса астероидов, как уже отмечалось, является его «несформированность». Там до сих пор время от времени происходят столкновения между телами с образованием большого количества фрагментов, дальнейшую траекторию которых невозможно предсказать, а следовательно — невозможно исключить, что какой-то из них в дальнейшем столкнется с Землей. Впервые такое событие «по горячим следам» удалось наблюдать в 2010 году, когда астрономы заметили, что объект с индексом P/2010 A2 имеет удивительную крестообразную форму. Возможно, по той же причине некоторые астероиды иногда теряют свой «звездный» вид, образуя кому и хвост, как кометы (подобные явления регулярно наблюдаются с середины XX века).
Непосредственные исследования
Многие астероиды под действием гравитационного влияния больших планет переходят на орбиты, позволяющие им подходить близко к Земле. К ним приковано наибольшее внимание: именно они считаются наиболее опасными с точки зрения столкновения с нашей планетой. С другой стороны, такие объекты не требуют больших энергетических затрат при отправке к ним космических аппаратов. В этой области наибольших успехов добилась Япония: ее автоматические разведчики уже доставили образцы вещества с околоземных астероидов Итокава и Рюгу (соответственно в 2010 и 2020 годах). Хотя на самом деле некоторые фрагменты объектов этого класса попали в руки ученых намного раньше — они постоянно падают на земную поверхность в виде метеоритов.
Но и Главный пояс тоже достаточно активно исследуется как с помощью наземных телескопов, так и межпланетными зондами. На самом деле первый автоматический аппарат побывал в этой области пространства еще в 1972 году: это был американский Pioneer 10, направлявшийся к Юпитеру. Его специально сделали сравнительно небольшим и недорогим, поскольку существовали предположения, что за орбитой Марса он встретится с большим количеством песчинок и даже камешков, которые выведут его из строя. К счастью, концентрация такой «космической мелочи» на пути зонда оказалась небольшой, он успешно достиг своей главной цели и стал первым искусственным объектом, приблизившимся к планете-гиганту.
Первый снимок астероида с близкого расстояния (с пролетной траектории) получил аппарат Galileo на пути к Сатурну. Это произошло 29 октября 1991 года, объектом съемки была 18-километровая Гаспра. Двумя годами позже этот же автоматический разведчик сфотографировал 60-километровую Иду, подлетев к ней на 2400 км. На полученных изображениях ученые увидели еще и небольшой спутник Иды, которому дали имя Дактиль. Далее настал черед специализированных миссий: в 2000-м американский аппарат NEAR Shoemaker вышел на орбиту вокруг астероида Эрос (он также принадлежит к околоземным объектам), а высокотехнологичный зонд Dawn, запущенный в 2007 году, провел детальные исследования двух крупнейших тел Главного пояса — Весты и Цереры. После завершения миссии и отключения бортовых приборов он остался обращаться вокруг последней как памятник достижениям человеческой цивилизации.
Недавно на Землю вернулся аппарат OSIRIS-REx с образцами вещества астероида Бенну. Готовится к старту европейская миссия Hera, которая должна будет изучить околоземный объект Дидим. В прошлом году с его спутником Диморфом столкнулся зонд DART — таким способом NASA проверила возможность изменить траекторию угрожающего нашей планете небесного тела с помощью кинетического воздействия. На пути к своей первой цели находится аппарат Lucy. Его основной задачей будут исследования так называемых троянских астероидов в окрестностях точек Лагранжа L₄ и L₅ на юпитерианской орбите. Что касается Главного пояса, то через несколько дней начнется путешествие зонда Psyche к уже упомянутому металлическому астероиду Психея. Миссии к «небесным камням» имеются также в планах космического ведомства Китая (13 декабря 2012 года зонд «Чанъэ-2» сблизился с астероидом Тутатис), свои усилия в этом направлении не собирается сворачивать и Япония. Некогда загадочное «пустое» пространство между Марсом и Юпитером продолжает раскрывать свои тайны…
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
