На ранніх етапах своєї еволюції Сонячна система являла собою апокаліптичне видовище: в ній постійно відбувалися зіткнення та руйнування, більші за розмірами протопланети поглинали менші, розжарюючись до високих температур і перетворюючись на величезні кулі розплавленої магми… Важко було уявити, що через кілька десятків мільйонів років одна з цих куль стане місцем зародження життя. Але і в наш час в околицях Сонця існує область простору, де продовжуються небезпечні колізії (хоч і з меншою інтенсивністю). Людство дізналося про неї порівняно нещодавно — приблизно двісті років тому. Зараз її називають Головним поясом астероїдів.
Наприкінці XVIII століття «родина Сонця» здавалася зовсім нечисленною у порівнянні з тим, що ми знаємо на даний момент. Крім власне Сонця, вона складалася з Меркурія, Венери, Землі та Місяця, Марсу, Юпітеру з чотирма супутниками, Сатурну (його «супутникове сімейство» на той момент вважалося найбільшим — цілих 7, і кільця на додачу) і нещодавно відкритого Урану з двома «компаньйонами». Також була доведена періодичність комет Галлея та Лекселя. Ця картина здавалася досить гармонійною, але багато вчених зауважувало, що в ній є декілька недоліків. І найбільший із них помітив ще 1596-го славетний астроном Йоганн Кеплер, згадавши про нього у своїй книзі «Таємниця світу» (Mysterium Cosmographicum).
В ті часи точність астрономічних спостережень була занадто низькою, щоб безпосередньо вимірювати відстань до планет. Учитель Кеплера Тихо Браге зміг їх оцінити у величинах, «прив’язаних» до середнього радіуса орбіти Землі, який пізніше почали називати «астрономічною одиницею» (скорочено «а.о.»). Розмір цієї одиниці в кілометрах тоді був невідомий навіть приблизно — власне, самі «кілометри» й узагалі метричну систему придумають значно пізніше. Але знаючи відносні величини радіусів планетних орбіт, неважко було помітити, що в ряду від Меркурія до Марсу вони зростають поступово, а потім роблять «стрибок»: між Марсом і Юпітером, на думку Кеплера, виявилося достатньо місця для ще однієї планети.
Приблизно через сотню років професор Единбурзького університету Девід Грегорі звернув увагу, що уточнені розміри планетних орбіт, виражені в десятих долях відстані від Землі до Сонця, утворюють ряд 4, 7, 10, 15, 52, 95 (ці спостереження були опубліковані 1715 року, вже після смерті вченого). Нарешті, 1766-го, перекладаючи книгу Contemplation de la Nature французького астронома Шарля Бонне, німецький вчений Йоганн Тітц, більше відомий під латинізованим прізвищем Тіциус, зауважив, що всі ці числа, якщо від них відняти 4, виявляються дуже близькими до членів геометричної послідовності зі знаменником 2 — щоправда, з двома зауваженнями: для Меркурія ступінь послідовності мав дорівнювати «мінус нескінченності», а п’ятому члену ряду (4+24) не відповідало жодної великої планети. Ці роздуми стали широко відомими завдяки його співвітчизнику Йоганну Боде, який навів їх із посиланням на Тіциуса в одній зі своїх книжок і висловив припущення, що невідома планета між Марсом і Юпітером ще буде знайдена. Відтоді ця закономірність планетних відстаней отримала назву «правило Тіциуса-Боде».
У 1781 році був відкритий Уран, і після обчислення його орбіти стало очевидним, що вона теж чудово «вписується» у це правило. Астрономи з подвоєною енергією взялися за пошуки невідомого об’єкта між Марсом і Юпітером. У 1796-му на конференції в німецькому місті Гота була створена група з 24 спостерігачів під керівництвом Франца фон Цаха, які домовилися координувати свої зусилля в цьому напрямі та жартома назвали себе «небесною поліцією». Членами групи були такі відомі вчені, як Вільям Гершель (першовідкривач Урану), Генріх Ольберс і Шарль Мессьє. Але довгоочікуване відкриття врешті зробили не вони.
«Перша четвірка»
В науково-популярній літературі неодноразово згадувалося про те, як 54-річний професор Палермського університету Джузеппе Піацці зустрічав нове XIX століття на заснованій ним десятьма роками раніше обсерваторії, займаючись вимірюванням координат зірок у сузір’ї Тільця. Несподівано він помітив, що одна з зірок за час спостережень помітно зсунулася відносно інших. До того часу вважалося, що так поводяться лише планети та комети, але новий об’єкт не мав ані планетного диску, ані коми та хвоста (характерних для комет). Астроном спостерігав за ним до першої хмарної ночі, а потім «загубив».
На щастя, отриманих позиційних спостережень виявилося достатньо, щоб за допомогою нового математичного методу найменших квадратів, винайденого Карлом Фрідріхом Гауссом, обчислити орбіту незвичайного тіла. Вона проходила на середній відстані 2,77 а.о. від Сонця — саме там, де вчені сподівалися знайти «пропущену планету». Єдина проблема полягала в тому, що якби новий об’єкт за розміром нагадував хоча б Місяць, він був би приблизно у 20 разів яскравішим, тобто мав би четверту зоряну величину, і його давно б уже помітили неозброєним оком. Замість «повноцінної» планети астрономи зіткнулися з чимось суттєво меншим.
У березні 1802 року вже згаданий «небесний поліцейський» Генріх Ольберс вів спостереження нового об’єкта, за яким уже закріпилася назва «Церера» — на честь давньоримської богині врожаю. Несподівано він помітив неподалік ще одну «рухому зірочку», тільки трохи слабшу. Як з’ясувалося пізніше, її орбіта мала такий самий середній радіус, але була більш витягнутою та сильніше нахиленою до екліптики. Вчений висловив припущення, що обидва тіла можуть бути уламками більшої планети, яка колись існувала в цій області простору. А отже, там мають знаходитися й інші її фрагменти. І справді, 1 вересня 1804-го ще одне тіло на трохи меншій і ще більш витягнутій орбіті знайшов німецький астроном Карл Гардінг, а в березні 1807-го знову «відзначився» Ольберс, відкривши четвертий «уламок» — як пізніше виявилося, найяскравіший. Зараз ми знаємо їх як Палладу, Юнону та Весту.
Стало зрозуміло, що в астрономії з’явився новий клас об’єктів. Вільям Гершель запропонував для нього назву «астероїди», тобто «схожі на зірки» (бо тодішні телескопи не дозволяли розрізнити їхніх дисків і об’єкти здавалися просто цяточками світла). Як і Ольберс, він вважав, що перелік цих тіл не обмежиться «першою четвіркою» і колись їх відкриють набагато більше. Обидва вчених не дожили до 1845 року, коли був знайдений астероїд №5, а далі відкриття таких об’єктів буквально посипалися, як із рогу достатку — особливо після того, як для пошуків почали використовувати фотографію.
Час розкидати каміння
Поступово встановилася процедура реєстрації відкриттів астероїдів: вони отримували попереднє позначення, пов’язане з датою відкриття, після визначення орбіти їм давали порядковий номер, а далі — назву (найчастіше її пропонував першовідкривач, причому назвати астероїд своїм іменем він не міг — такої честі удостоювалися лише комети). Спочатку серед назв переважали імена грецьких і римських богинь, потім до них додалися боги чоловічої статі, а пізніше — географічні топоніми, прізвища вчених, мандрівників, діячів мистецтв і навіть політиків. Тисячний астероїд, знайдений у серпні 1923 року, отримав ім’я «Піацція». Станом на 2020 рік об’єктів цього класу відкрито вже більше мільйона, і приблизно третина з них пронумерована.
Як уже згадувалося, першою версією походження Поясу астероїдів стало руйнування великої планети, що рухалася приблизно у 2,8 а.о. від Сонця (для неї навіть підібрали з давньогрецької міфології назву «Фаетон»). Найімовірнішим кандидатом на роль «руйнівника» вважали, звичайно, Юпітер із його могутнім гравітаційним полем, але були також гіпотези грандіозного космічного зіткнення чи навіть знищення Фаетону в результаті діяльності розвиненої цивілізації, що існувала на його поверхні.
Коли у середині XX століття стало зрозуміло, що практично всі великі об’єкти у просторі між Марсом і Юпітером уже відкриті й подальші знахідки «небесних камінчиків» кілометрових розмірів загальної картини майже не змінять, з’явилася можливість оцінити їхню сумарну масу. Виявилося, що вона складає приблизно 2,4×10¹⁸ тонн, або ж менше 4% від маси Місяця. Це було трошки замало для повноцінної планети та змусило вчених шукати інші пояснення природи Поясу астероїдів. Картина трохи прояснилася після появи перших комп’ютерних моделей еволюції Сонячної системи. Вони вказували на те, що планети-гіганти утворилися зовсім не на тих орбітах, по яких рухаються зараз: Юпітер спочатку розташовувався помітно далі від Сонця, а Сатурн, Уран і Нептун — навпаки, ближче. Але в результаті взаємних гравітаційних впливів 4 млрд років тому вони майже зайняли своє нинішнє положення.
Тим часом за межами орбіти Землі сформувалося кілька планетоподібних тіл, одним із яких був нинішній Марс (йому пощастило більше за інших — подальші пертурбації його загалом оминули, хоч і залишили багато «шрамів» на його поверхні). Вони навіть встигли пройти фазу часткового розплавлення та гравітаційної диференціації, під час якої метали сконцентрувалися в надрах протопланет, а легкі мінерали «спливли» на поверхню. У просторі між ними «блукало» кілька десятків об’єктів меншого розміру. Можливо, колись їм все одно судилося б зіткнутися з більшими та «злитися» з ними, але міграція планет-гігантів призвела до зовсім іншого сценарію.
Коли Юпітер «перескочив» на орбіту, ближчу до Сонця, він почав активно впливати своєю гравітацією на об’єкти в зовнішніх областях нинішнього Поясу астероїдів, переводячи їх на сильно витягнуті еліптичні траєкторії. В результаті середня швидкість взаємних зіткнень між тілами Поясу значно зросла. Уламки, що утворювалися під час цих зіткнень, отримували більшу кінетичну енергію, й замість того, щоб у подальшому випадати на поверхню протопланет, переважно почали розлітатись у навколишній простір. Багато таких уламків (за деякими оцінками — до 99% загальної маси) надалі були викинуті з Сонячної системи чи випали на поверхню великих планет і їхніх супутників, ставши причиною так званого Пізнього важкого бомбардування і, між іншим, збагативши водою Землю та Марс. Такий еволюційний сценарій зараз вважається найбільш імовірним.
Потенційна загроза та джерело ресурсів
Після появи інфрачервоної астрономії вчені зареєстрували в околицях багатьох зірок характерні диски, що складаються з пилу та кам’яних уламків. Отже, Пояс астероїдів не є винятковою особливістю Сонячної системи — такі структури достатньо розповсюджені у Всесвіті. Оскільки всі вони перебувають на різних етапах своєї еволюції, досліджуючи їх, ми маємо можливість «зазирнути» й у нашу власну історію.
Але це не єдина причина, з якої вчених цікавлять астероїди. Як уже згадувалося, кілька «первісних» об’єктів Головного поясу перед тим, як зруйнуватися в результаті зіткнень, пройшли гравітаційну диференціацію, фактично утворивши кору, мантію та ядро, як у кам’янистих планет на кшталт нашої. Після ударів інших тіл усі ці компоненти стали доступними для безпосереднього вивчення: ті глибинні шари, яких на Землі ми зможемо досягти ще дуже нескоро (якщо взагалі зможемо), у деяких «небесних каменів» опинилися буквально на поверхні. А отже, досліджуючи їх, ми отримаємо важливу інформацію про внутрішню структуру та склад великих планет.
Ця ж особливість астероїдів може зробити їх джерелом цінних ресурсів — рідкісних металів або ізотопів хімічних елементів, що на Землі присутні в дуже малих кількостях і потребують великих зусиль для видобутку. У цій галузі вже активно працюють приватні підприємці, але й великі державні космічні агенції теж не пасуть задніх — наприклад, NASA організувала політ автоматичного апарата до великого металевого астероїда Психея.
Але найважливішою особливістю Поясу астероїдів, як уже зазначалося, є його «несформованість». Там і досі час від часу відбуваються зіткнення між тілами з утворенням великої кількості фрагментів, подальшу траєкторію яких неможливо передбачити, а отже — неможливо виключити, що якийсь із них надалі зіткнеться з Землею. Вперше таку подію «по гарячих слідах» вдалося спостерігати 2010 року, коли астрономи помітили, що об’єкт із індексом P/2010 A2 має дивну хрестоподібну форму. Можливо, з цієї ж причини деякі астероїди часом втрачають свій «зірковий» вигляд і утворюють кому та хвіст, як комети (подібні явища регулярно спостерігаються з середини XX століття).
Безпосередні дослідження
Багато астероїдів під дією гравітаційного впливу великих планет переходять на орбіти, що дозволяють їм підходити близько до Землі. До них прикута найбільша увага, бо саме вони вважаються потенційно найнебезпечнішими з точки зору зіткнення з нашою планетою. З іншого боку, такі об’єкти не потребують великих енергетичних витрат у разі відправки до них космічних апаратів. У цій галузі найбільших успіхів досягла Японія: її автоматичні розвідники вже доставили зразки речовини з близькоземних астероїдів Ітокава та Рюгу (відповідно в 2010 та 2020 роках). Хоча насправді деякі фрагменти об’єктів цього класу потрапили до рук учених набагато раніше — вони постійно падають на земну поверхню у вигляді метеоритів.
Але й Головний пояс теж достатньо активно досліджується — як із допомогою наземних телескопів, так і міжпланетними зондами. Насправді перший автоматичний апарат побував у цій області простору ще 1972 року: це був американський Pioneer 10, що прямував до Юпітера. Його спеціально зробили порівняно невеликим і недорогим, бо існували припущення, що за орбітою Марсу він зустрінеться з великою кількістю піщинок і навіть камінців, які виведуть його з ладу. На щастя, концентрація такої «космічної дрібноти» на шляху зонда виявилася невеликою, він успішно досяг своєї головної мети та став першим штучним об’єктом, який наблизився до планети-гіганта.
Першу світлину астероїда з близької відстані (з прольотної траєкторії) отримав апарат Galileo на шляху до Сатурна. Це сталося 29 жовтня 1991 року, об’єктом зйомки була 18-кілометрова Гаспра. Двома роками пізніше цей же автоматичний розвідник сфотографував 60-кілометрову Іду, підлетівши до неї на 2400 км. На отриманих зображеннях учені побачили ще й невеличкий супутник Іди, якому дали ім’я Дактиль. Далі настала черга спеціалізованих місій: у 2000-му американський апарат NEAR Shoemaker вийшов на орбіту навколо астероїда Ерос (він також належить до близькоземних об’єктів), а високотехнологічний зонд Dawn, запущений 2007 року, здійснив детальні дослідження двох найбільших тіл Головного поясу — Вести й Церери. Після завершення місії та вимкнення бортових приладів він залишився обертатися навколо останньої як пам’ятник досягненням людської цивілізації.
Нещодавно на Землю повернувся аппарат OSIRIS-REx зі зразками речовини астероїда Бенну. Готується до старту європейська місія Hera, яка має дослідити близькоземный об’єкт Дідим. У минулому році з його супутником Діморфом зіткнувся зонд DART — таким способом NASA перевірила можливість змінити траєкторію небесного тіла, що загрожує нашій планеті, за допомогою кинетичного впливу. На шляху до своєї першої цілі перебуває апарат Lucy. Його основним завданням будуть дослідження так званих троянських астероїдів в околицях точок Лагранжа L₄ и L₅ на юпітерианській орбіті. Що стосується Головного поясу, то за кілька днів розпочнеться подорож зонда Psyche до вже згаданого металічного астероїда Психея. Місії до «небесних каменів» є також у планах космічного відомства Китаю (13 грудня 2012 року зонд «Чан’е-2» наблизився до астероїда Тутатіс), свої зусилля в цьому напрямі не збирається згортати й Японія. Колись загадковий «порожній» простір між Марсом і Юпітером продовжує розкривати свої таємниці…
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
