Пояс астероидов

На первый взгляд расположение орбит планет в Солнечной системе кажется совершенно случайным. Одни планеты теснятся вблизи Солнца, другие широко разбросаны, двигаясь по своим гигантским орбитам. Астрономы обычно предпочитают измерять протяженность орбит в астрономических единицах. По определению одна астрономическая единица (сокращенно а.е.) - это среднее расстояние между Землей и Солнцем (около 150 млн.км). В таком случае, например, среднее расстояние между Меркурием и Солнцем равно 0,39 а. е., а Плутон находится в сто раз дальше от Солнца - на расстоянии 39,5 а.е.

В 70-х годах XVIII в. Иоганн Боде, директор Берлинской обсерватории, широко пропагандировал простую математическую схему для запоминания расстояний планет от Солнца. Сначала нужно записать последовательность чисел 0, 3, 6, 12, 24..., каждый последующий член которой равен удвоенному предыдущему. Затем к каждому числу прибавить 4 и полученные суммы разделить на 10. Как видно из таблицы 1, окончательная последовательность чисел удивительно близка к размерам орбит планет, выраженным в астрономических единицах.

Эту схему часто называют законом Боде, хотя придумана она была не Боде и не является «законом». Тем не менее закон Боде получил широкую известность, когда в 1781 г. Уильям Гершель открыл Уран. Легко видеть, что истинное расстояние между Ураном и Солнцем очень близко к расстоянию, «предсказанному» законом Боде.

Таблица 1. Иллюстрация "закона" Боде

Закон Боде
Планета
Истинный размер орбиты (а. е.)
(0 + 4)/10 = 0,4
Меркурий
0,39
(3 + 4)/10 = 0,7
Венера
0,72
(6 + 4)/10 = 1,0
Земля
1,00
(12 + 4)/10= 1,6
Марс
1,52
(24 + 4)/10 = 2,8
?
(48 + 4)/10 = 5,2
Юпитер
5,20
(96 + 4)/10 = 10,0
Сатурн
9,54
(192 + 4)/10 = 19,6
Уран
19,18
(384 + 4)/10 = 38,8
Нептун
30,06
(768 + 4)/10 = 77,2
Плутон
39,53

Открытие Урана заставило многих поверить, что в законе Боде содержится нечто большее, чем простая схема для запоминания размеров орбит планет. В частности, некоторые астрономы стали интересоваться, не находится ли какое-нибудь космическое тело на расстоянии 2,8 а.е. от Солнца. И группа немецких астрономов начала тщательное обследование неба в поисках объекта, который мог бы располагаться в пространстве между орбитами Марса и Юпитера.

1 января 1801 г. астроном Джузеппе Пиацци из Сицилии увидел слабую «звезду» в созвездии Тельца, которая не значилась на его звездной карте. Пиацци заметил, что «звезда» от ночи к ночи постепенно меняет свое положение, а это явно указывало, что он открыл объект, который принадлежит Солнечной системе. К концу 1801 г. было установлено, что объект, обнаруженный Пиацци, делает оборот вокруг Солнца за 4,6 года насреднем расстоянии 2,77 а.е., что удивительно близкок «ожидаемому» расстоянию по Боде. Так Пиацци открыл первый астероид, который был назван Церерой - по имени богини, покровительницы Сицилии.

В марте 1802 г. Генрих Ольберс, член группы немецких астрономов, занимающейся поисками новых объектов, обнаружил еще один слабый звездоподобный объект, который оказался вторым астероидом. Этот астероид назвали Палладой. Паллада также делает оборот вокруг Солнца за 4,6 года на среднем расстоянии 2,77 а.е.

В максимуме блеска при наилучших условиях наблюдения Церера и Паллада - чуть слабее самых тусклых звезд, которые удается различить невооруженным глазом.Но обычно, чтобы увидеть астероиды, нужен телескоп. Отсюда астрономы XIX в. немедленно сделали вывод, что Церера и Паллада - крайне малы. Действительно, хотя Церера и самый большой из астероидов, ее диаметр только 1000 км. Таким образом, ни Цереру, ни Палладу нельзя было рассматривать как «незамеченную планету» Боде. Но поскольку орбиты обоих астероидов почти одинаковы, вскоре стало принято полагать, что планета Боде взорвалась, а открытые астероиды - оставшиеся от нее обломки.

Гипотеза разорвавшейся планеты получила некоторое подкрепление в результате открытия астероидов Юноны (в 1804 г.) и Весты (в 1807 г.). Юнона делает оборот вокруг Солнца за 4,4 года на среднем расстоянии 2,67 а. е. Орбита Весты, обращающейся вокруг Солнца с периодом 3,6 года, чуть меньше: расстояние Весты до Солнца только 2,36 а.е. Предполагалось, что эти астероиды - также обломки «планеты Боде».

Рис.1. Композиция снимков трех астероидов: Матильда, Гаспра и Ида (слева направо). Снимки сделаны аппаратом Galileo.

Открытие астероидов было в те времена тяжелым и трудоемким делом. С ангельским терпением астрономы тщательно обследовали небеса в поисках слабых, не нанесенных на карту «звезд», положения которых изменялись бы от ночи к ночи. Так, лишь после пятнадцатилетних упорных поисков немецкий астроном Карл Генке открыл в 1845 г. пятый астероид - Астрею. К 1890 г.было найдено и занесено в каталоги всего только 300 астероидов.

Применение фотографии существенно облегчило проблему поиска астероидов. Отныне больше не было необходимости часами всматриваться в окуляр - нужно было просто произвести фотографирование с большой экспозицией. Если какие-нибудь астероиды случайно оказывались в поле зрения фотокамеры, их изображения выглядели на снимке расплывчатыми следами, которые можно было легко отличить от изображений звезд.

Рис.2. Астероид 433 Эрос - единственный подробно исследованный с помощью космического аппарата. Астероид имеет неправилную форму с размерами 33х13 км. Был открыт в 1898 году. В 2001 году аппарат NEAR-Shoemaker вышел на орбиту вокруг этого астероида и совершил на нем мягкую посадку.

Рис.3. Одна из последних перед приземлением фотографий с аппарата NEAR-Shoemaker сделана с высоты 130 м и захватывает зону около 5 м шириной.

К настоящему времени официально зарегистрировано около 2000 астероидов и вычислены их орбиты. И вероятно, еще тысячи астероидов оставили следы на бесчисленных фотографиях, полученных в различных обсерваториях мира. Но астрономы-профессионалы считали астероид официально «открытым» только после того, как его орбита была надежно вычислена. А для этоготребовалось множество точных наблюдений на протяжении многих ночей. В наши дни это не стоит особого труда.

Все крупные астероиды были открыты давно. Приблизительно у 230 из них диаметры более 100 км. Но, по-видимому, имеются десятки тысяч астероидов, размеры которых не превышают нескольких километров. Согласно последним оценкам, число таких малых астероидов достигает приблизительно 100000.

Огромное множество астероидов обращается вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Поэтому эта область Солнечной системы называется поясом астероидов. Хотя астероидов очень много, их общая масса очень мала. Все астероиды, собранные вместе, могли бы образовать лишь типичный небольшой спутник, по размерам гораздо меньший планеты.

Старая гипотеза, рассматривающая астероиды как обломки взорвавшейся планеты, время от времени вновь возникает в научно-фантастических романах. Эта гипотеза встречается с серьезными трудностями. Прежде всего, в поясе астероидов явно недостаточно вещества, чтобы из него могла бы сформироваться планета подходящего размера. Вероятно, гораздо разумнее предположить, что астероиды - это объекты, сконденсировавшиеся из вещества первичной солнечной туманности, но таки и не объединившиеся в планету. Подобно огромному множеству камней в кольцах Сатурна, так и не соединившихся в спутник планеты, многие тысячи каменных глыб в поясе астероидов также не смогли объединитьсявместе, когда в далеком прошлом происходило формирование планет Солнечной системы.

Аналогию с кольцами Сатурна не следует рассматривать как чисто формальную. Напомним, что щель Кассини обусловлена гравитационным воздействием одного из ближайших спутников Сатурна - Мимаса. Подобнымже образом присутствием Юпитера обусловлено наличие щели в поясе астероидов. Юпитер делает оборот вокругСолнца за 11,86 года на среднем расстоянии 5,20 а.е. Если какой-то астероид обращается вокруг Солнца с периодом, который составляет простую дробь (1/2, 1/3 и т.д.) от периода Юпитера, то Юпитер и астероид будут регулярно и достаточно часто располагаться на одной линии с Солнцем. Например, астероид, находящийся нарасстоянии 3,28 а. е. от Солнца, должен иметь период обращения 5,93 года (это точно половина периода обращения Юпитера вокруг Солнца); при каждом второмо бороте по орбите такой астероид должен проходитьмежду Солнцем и Юпитером точно в одном и том же месте. Непрерывное действие сильного притяжения со стороны Юпитера при каждом таком «выравнивании» в конце концов должно привести к тому, что крошечный астероид отклонится от своей первоначальной орбиты. Так и образовалась щель в распределении астероидов.

В поясе астероидов существует семь больших щелей в интервале расстояний 2,2-3,3 а.е. от Солнца. Эти щели называются пробелами Кирквуда - по имени американского астронома Дэниела Кирквуда, который первым заметил их в 1866 г. Каждый пробел соответствует орбите, обращение по которой должно было происходитьс периодом, равным простой дроби от периода Юпитера.

Астероиды состоят из твердых каменных пород, в которых иногда содержится значительное количество железа. Спектральный анализ отраженного от астероидов солнечного света показывает, что химический состав астероидов такой же, как у некоторых типов метеоритов.