Астероиды расскажут, как возникла Солнечная система
В 2021 и 2023 годах НАСА запустит два космических зонда под названием «Люси» и «Психея». «Люси» посетит троянские астероиды, а «Психея» полетит к одинокому астероиду из чистого металла.
Сейчас НАСА занимается созданием двух космических зондов - «Люси» и «Психея» - чья задача состоит в том, чтобы просветить нас, как возникла Солнечная система, посетив в общей сложности восемь астероидов на орбите Юпитера с 2025 по 2033 год.
Имена зондам выбраны не случайно: «Люси» - имя, которое дали останкам нашего очень далекого предка возрастом 3,2 миллиона лет, и оно очень подходящее, объясняет руководитель проекта «Люси» Гарольд Левисон (Harold Levison):
«Эти маленькие астероиды на самом деле - остатки от формирования планет, и именно поэтому мы назвали наш зонд «Люси» в честь одного из человеческих предков».
Космический зонд «Психея» получил свое имя иначе - в честь того одинокого астероида, состоящего практически исключительно из металла, к которому он полетит.
Царство Юпитера
Юпитер - самая большая планета Солнечной системы с соответствующей размерам огромной силой тяготения. И с помощью этой своей силы Юпитер управляет астероидами на многие километры вокруг себя.
На той же орбите, что и Юпитер, только на 60 градусов перед и 60 градусов после планеты, находится множество захваченных Юпитером астероидов, которые скопились в так называемых точках Лагранжа L4 и L5 (о точках Лагранжа читайте в конце статьи).
Они получили название «Троянские астероиды» в честь Троянской войны. Астероиды в точке Лагранжа L4 носят имена греческих героев, а те, что находятся в точке L5, названы по именам героев Трои. Всего в обеих группах до миллиона астероидов, чья величина превышает квадратный километр.
«Люси» станет первым в мире космическим зондом, который посетит Троянские астероиды, и этот визит, надеются ученые, сможет пролить свет на образование Солнечной системы. Потому что, хотя астероиды и относятся к царству Юпитера, они разительно отличаются от своего окружения и друг от друга. Это значит, что они, скорее всего, сформировались в самых разных местах Солнечной системы.
Когда Солнечная система была совсем юной, у планет еще не было их современных орбит, они просто двигались «как попало». Когда большие тяжелые планеты вроде Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна проходили мимо, они вызывали полный хаос среди миллионов больших и маленьких астероидов, которые тоже были в Солнечной системе.
Многие из этих астероидов вообще были выброшены за пределы Солнечной системы, а некоторое их количество захватил могущественный Юпитер, именно их сейчас и называют Троянскими астероидами.
История о Солнечной системе
Гарольд Левисон из проекта «Люси» сформулировал это так: «Одна из поразительных черт Троянских астероидов - это то, что очень разные. Когда мы смотрим на них через телескоп отсюда, с Земли, мы видим, что у них очень различаются цвета и спектры. И поэтому, мы полагаем, они расскажут нам кое-что о том, как возникла и развивалась Солнечная система. Мы считаем, что разнообразие связано с тем, что астероиды формировались в разных местах Солнечной системы с различными физическими характеристиками. Но во время развития системы, они путешествовали повсюду, пока не завершили свой путь на орбите Юпитера».
Долгое путешествие «Люси»
В это трудно поверить, но космический зонд «Люси» посетит и греческих героев в точке L4, а затем и троянских героев в точке L5. Это большое достижение, ведь L4 и L5 находятся на расстоянии миллиарда километров друг от друга, каждая группа на своей стороне Юпитера, так сказать.
Космический зонд будет запущен в 2021 году и во время пути к L4 в апреле 2025 года пролетит мимо маленького, всего четыре километра величиной, астероида с подходящим названием 52246 Дональдюхансон, который окрестили в честь археолога, нашедшего останки гоминида Люси в Эфиопии в 1974 году. Кажется, что траектория полета внезапно очень удачно совпала с именем зонда - но тут у меня возникает вопрос, не та же ли команда, что занимается проектом «Люси», дала имя и маленькому астероиду?
Некоторую проблему составляет то, что «Люси» пролетит мимо астероидов со скоростью более 20 000 км в час. Поэтому будет лишь совсем немного времени, чтобы осмотреть каждый отдельный астероид.
Причина в том, что нет возможности дать «Люси» с собой столько топлива, сколько зонду понадобилось бы, чтобы затормозить и медленно пролететь мимо. Космический зонд весит 1435 кг и большую часть этого веса составляют инструменты, радиопередатчики и солнечные панели.
В 2027 году «Люси» достигнет точки L4, где в следующем году облетит четыре очень разных астероида. Затем космический зонд покинет L4 и по мощной кривой продолжит свой путь через Солнечную систему из точки L4 в точку L5. Ничуть не странно, что это путешествие займет около пяти лет, и в марте 2033 года зонд будет у двух астероидов размером в 100 квадратных километров, вращающихся друг вокруг друга.
Такие бинарные астероиды редко встречаются во внутренней Солнечной системе, как правило, они находятся в поясе Койпера, за орбитой Нептуна - так что здесь у «Люси», может статься, будет возможность взглянуть на астероиды, до которых нам в противном случае было бы очень далеко добираться.
Психея - астероид из металла
У путешествия к астероиду Психея другая цель. Это космическое тело размером добрых 250 квадратных километров находится в поясе астероидов между Марсом и Юпитером, оно вращается по слегка продолговатой орбите на расстоянии от 2,5 до 3,3 астрономических единиц (а.е.) от Солнца, которое астероид облетает за пять лет.
Это звучит удивительно, но Психея - единственный известный астероид, который, предположительно, состоит из чистого металла. Есть версия, что Психея начинала свое существование как ядро небольшой планеты, которая была минимум 500 км в диаметре, а возможно и почти такой же большой, как Марс.
Когда Солнечная система была совсем еще «ребенком», там случалось множество столкновений между планетами и астероидами, и есть теория, что планета, чьей частью была Психея, после одного или нескольких крупных столкновений растеряла свою каменистую оболочку, так что осталось лишь ядро.
Единственная проблема этой в остальном замечательной теории состоит в том, что остатки оболочки должны были сохраниться на почти той же орбите, что и сама Психея, напоминая обычные каменные астероиды. Но ничего подобного найдено не было.
Вода на поверхности и расплавленное металлическое ядро
В любом случае Психея для нас - уникальная возможность посмотреть, как выглядит металлическое ядро планеты. Мы знаем, что у Земли есть ядро из жидкого металла, создающее магнитное поле, но к нему нет никакой возможности спуститься. Зато мы можем послать космический зонд в путешествие в 300 миллионов километров.
Космический зонд «Психея» будет запущен в 2023 году и доберется до своей цели через пять лет. Зонд будет управляться с помощью ионного двигателя, что даст ему возможность встать на орбиту вокруг астероида Психея и изучать его с 2028 по 2030 год.
Это будет исключительный опыт, ведь мы никогда раньше не видели планету из чистого металла. Как выглядит кратер от удара? Успеют ли капли расплавленного металла, разлетевшиеся при ударе, застыть вновь до того, как упадут обратно?
Удивительным было найти следы воды на поверхности, но это, возможно, связано со столкновениями с небольшими астероидами, содержащими лед.
Но самый главный вопрос, конечно, связан с магнетизмом. Сегодня предполагается, что магнитное поле рождается из-за вращения металлических ядер внутри планет, достаточно больших, чтобы иметь расплавленным как минимум часть металла ядра.
Психея с большой долей вероятности осталась от довольно маленькой планеты, которая вряд ли обладала достаточными размерами для жидкого ядра. Поэтому очень интересно узнать, остались ли у нее следы магнитного поля с тех времен, когда она еще была центром планеты, или, как выразилась эксперт в этой области Линди Элкинс-Тэнтон (Lindy Elkins-Tanton): «Окажется ли Психея маленьким магнитиком на холодильник посреди космоса?»
Точки Лагранжа
Как и у всех планет солнечной системы, у Юпитера есть пять так называемых точек Лагранжа. Это места, где малое тело будет следовать за планетой таким образом, что с планеты оно будет выглядеть неподвижным.
Те астероиды, которые посетит «Люси» находятся в точках L4 и L5, на 60 градусов до и 60 градусов после Юпитера, но на той же орбите, что и сама планета.
Движутся с той же скоростью, что и планета
Распространено заблуждение о том, что силы, которые влияют на малое тело, уравновешивают друг друга в точках Лагранжа.
Это не так. В каждой из пяти точек малое тело подвергается силе тяготения как со стороны планеты (здесь - Юпитера), так и со стороны Солнца.
Эти пять точек отличаются тем, что сумма этих сил в них как раз такова, что малое тело начинает оборачиваться вокруг Солнца с той же скоростью, что и планета и поэтому следует за ней.
Это, однако, действует лишь тогда, когда тело настолько мало, что можно пренебречь его собственной силой тяготения - и это условие астероиды прекрасно выполняют.
L4 и L5 стабильные точки
L1, L2 и L3 - нестабильные точки, малое тело может довольно быстро соскочить с них прочь. Однако на них вполне можно вернуться вновь, если использовать немного топлива.
L4 и L5 - стабильные, и это значит, что если малое тело не совсем точно попало в одну из двух точек, то оно может встать на орбиту вокруг точки.
Именно поэтому L4 и L5 в системе Солнце-Юпитер настолько велики, что могут вместить более миллиона астероидов. Астероиды находятся не в самих точках, а на орбитах вокруг них.