Солнечная система - Владимир Сурдин

Около 4,5 млрд. лет назад на расстоянии 5 а.е. от Солнца одна из крупных планетезималей в ходе «естественного отбора» превзошла размером остальные и стала «зародышем» будущего Юпитера. Находясь на границе конденсации летучих соединений (Н2, Н2О, NH3, CO2, CH4 и др.), которые изгонялись из центральной, более теплой зоны протопланетного диска, это тело служило центром аккумуляции замерзающих газовых конденсатов. При достижении еще большей массы, оно стало захватывать вещество, находящееся ближе к Солнцу, в зоне родительских тел астероидов, и таким образом тормозить их рост.

Мелкие тела, попавшие в сферу гравитационного влияния прото-Юпитера, но не захваченные им, эффективно разбрасывались в разные стороны. Аналогично, хотя и не так интенсивно, происходил выброс тел из зоны формирования Сатурна. Двигаясь по вытянутым орбитам, выброшенные тела пронизывали пояс родительских тел астероидов между орбитами Марса и Юпитера, подвергая их дроблению. До возникновения планет-гигантов в этой области происходил рост родительских тел астероидов, поскольку их взаимные скорости были невелики (менее 0,5 км/с), и столкновение двух тел заканчивалось их объединением, а не дроблением.

Попадание в пояс астероидов быстрых объектов, выброшенных Юпитером и Сатурном, привело к тому, что относительные скорости возросли до 3—5 км/с. Процесс аккумуляции родительских тел астероидов сменился их взаимным разрушением, а возможность формирования большой планеты в этой области Солнечной системы исчезла навсегда.

Орбиты астероидов

Астероиды Главного пояса движутся по устойчивым орбитам, близким к круговым или слабо эксцентричным. Они находятся в «безопасной» зоне, где минимально гравитационное влияние на них больших планет, в первую очередь, — Юпитера. Считается, что именно Юпитер «виноват» в том, что на месте Главного пояса астероидов в период молодости Солнечной системы не смогла сформироваться крупная планета.

Впрочем, еще в начале XX в. многие ученые полагали, что между Юпитером и Марсом раньше существовала большая планета, которая по каким-то причинам разрушилась. Первым высказал эту гипотезу Ольберс, сразу после открытия им Паллады. Он же предложил назвать гипотетическую планету Фаэтоном. Однако современная космогония отказалась от идеи разрушения большой планеты: пояс астероидов, вероятно, всегда содержал множество небольших тел, объединиться которым мешало влияние Юпитера.

Этот гигант по-прежнему продолжает играть первостепенную роль в эволюции орбит астероидов. Его длительное (более 4 млрд. лет) гравитационное влияние на астероиды Главного пояса привело к тому, что возник ряд «запретных» орбит и даже зон, в которых малых тел практически нет, а если они туда и попадают, то не могут долго там находиться. Эти зоны называют пробелами (или люками) Кирквуда по имени Дэниела Кирквуда (1814—1895), впервые обнаружившего их в распределении периодов обращения всего нескольких дюжин астероидов.

Орбиты в люках Кирквуда называют резонансными, поскольку движущиеся по ним астероиды испытывают регулярное гравитационное возмущение со стороны Юпитера в одних и тех же точках своей орбиты. Периоды обращения по этим орбитам находятся в простых отношениях с периодом обращения Юпитера (например, 1:2, 3:7, 2:5, 1:3). Если какой-либо астероид, например, в результате столкновения с другим телом, попадает на резонансную орбиту, то ее эксцентриситет и большая полуось быстро меняются под влиянием гравитационного поля Юпитера. Астероид покидает резонансную орбиту и может даже уйти из Главного пояса. Таков постоянно действующий механизм «очистки» пробелов Кирквуда.

Однако заметим, что если изобразить мгновенное распределение всех астероидов Главного пояса, то никаких «щелей» мы не увидим. В любой момент времени астероиды достаточно равномерно заполняют пояс, поскольку, двигаясь по эллиптическим орбитам, они часто пересекают «запретные зоны».

Существует еще один, противоположный, пример гравитационного влияния Юпитера: у внешней границы Главного пояса астероидов есть две узкие «зоны», содержащие избыточное число астероидов. Периоды обращения в них находятся в пропорциях 2:3 и 1:1 с периодом обращения Юпитера. Ясно, что резонанс 1:1 означает, что астероиды движутся практически по орбите Юпитера. Но они не сближаются с гигантской планетой, а держат дистанцию, в среднем равную радиусу орбиты Юпитера. Эти астероиды получили имена героев Троянской войны. Те из них, которые в своем движении по орбите опережают Юпитер, называют «греками», а отстающую группу — «троянцами» (обе группы вместе часто называют «троянцами»). Движение этих малых тел происходит в окрестности «треугольных точек Лагранжа», где при круговом движении уравниваются гравитационные и центробежные силы. Важно, что при небольшом отклонении от положения равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть объект на место, т.е. его движение происходит устойчиво.

В отличие от троянцев, которые могли постепенно накопиться в окрестностях точек Лагранжа в ходе длительной столкновительной эволюции астероидов, существуют иные семейства астероидов, скорее всего возникшие в результате относительно недавнего распада крупных родительских тел. Например, это семейство Флоры, включающее около 60 членов. Сейчас астрономы пытаются определить общее число таких семейств, чтобы оценить исходное количество родительских тел.

Астероиды, сближающиеся с Землей

У внутреннего края главного пояса астероидов выделяются группы тел, орбиты которых вытянуты в центральную область Солнечной системы и могут пересекаться с орбитами Марса, Земли, Венеры и даже Меркурия. В первую очередь, это группы Амура, Аполлона и Атона (по именам их крупнейших членов). Орбиты этих астероидов уже не так стабильны, как у членов главного пояса: они быстро эволюционируют под влиянием не только Юпитера, но и планет земной группы. По этой причине астероиды могут переходить из одной группы в другую, а само их деление на вышеназванные группы довольно условно и основано на данных об их современных орбитах. Так, амурцы движутся по эллиптическим орбитам с расстоянием в перигелии не более 1,3 а.е. (но и не менее 1 а.е.). У аполлонцев это расстояние менее 1 а.е., т.е. они проникают внутрь земной орбиты. В то время, как у амурцев и аполлонцев большая полуось орбиты заметно превосходит 1 а.е., у атонцев она менее или порядка этой величины, поэтому они движутся в основном внутри земной орбиты.

Ясно, что аполлонцы и атонцы, пересекая орбиту Земли, создают угрозу столкновения. Существует даже общее название группы малых тел с большими полуосями орбит менее 1,3 а.е. — «объекты, сближающиеся с Землей» (near-Earth object, NEO). К 1 сентября 2006 г. таких объектов было обнаружено 4187. Из них 57 комет и 4130 астероидов (near-Earth asteroid, NEA). Около 1000 из них имеют размер более 1 км. и поэтому представляют потенциальную угрозу для всей биосферы Земли. Хотя в последние годы поиск подобных тел проводится очень активно, ясно, что их общее количество может быть заметно больше: до 1500—2000 размером более 1 км. и до 140000 размером более 100 м. (такие объекты грозят нам локальными катастрофами).