Все открытые до сих пор астероиды
обладают прямым движением : они движуться вокруг
Солнца в ту же сторону, что и большие планеты
(i<90o). У подавляющего большинства астероидов
орбиты не сильно отличаются друг от друга : они
слабо эксцентричны и имеют малый или умеренный
наклон. Поэтому-то почти все астероиды движуться,
оставаясь в пределах тороидального кольца.
Границы кольца несколько условны :
пространственная плотность астероидов (число
астероидов в единице объема) падает по мере
удаления от центральной части, что на рисунке
отражено менее густой штриховкой периферических
областей сечения. Если по мере движения
астероида по орбите упомянутую плоскость zr
вращать (вокруг оси, перпендикулярной плоскости
эклиптики и проходящей через Солнце) вслед за
астероидом (так, чтобы он все время оставался в
этой плоскости), то астероид за один оборот
опишет в этой плоскости некоторую петлю. Примеры
таких петель показаны на рисунке. Большая часть
подобных петель лежит в пределах заштрихованной
области, как у Цереры и Весты, движущихся по
малоэксцентричным и мало наклоненным орбитам. У
немногих астероидов из-за значительного
эксцентриситета и наклона орбиты петля, как у
Паллады (i=35o), выходит за пределы этой области или
даже целиком лежит вне ее, как у атонцев. Поэтому
астероиды встречаются и вдали за пределами
кольца.
Объем пространства, занятого
кольцом-тором, где движется 98 % всех астероидов,
огромен - около 1,6*1026 км3. Для сравнения укажем, что
объем Земли составляет всего 1012 км3.
Большие полуоси орбит астероидов,
принадлежащих кольцу, заключены в интервале от 2,2
од 3,2 а. е. Астероиды движуться по орбитам с
линейной (гелиоцентрической) скоростью около 20
км/с, затрачивая на один оборот вокруг Солнца от 3
до 9 лет. Их среднесуточное движение заключено в
пределах 400-1200'' (рис. 5).
Эксцентричность этих орбит
невелики - от 0 до 0,2 и редко превышает 0,4. Но даже
при очень малом эксцентриситете, всего в 0,1,
гелиоцентрическое расстояние астероида во время
движения по орбите меняется на несколько десятых
долей астрономической единицы, а при e=0,4 - на 1,5 - 3
а. е., в зависимости от размеров орбиты.
Наклон орбит к плоскости
эклиптики составляют обычно от 5 до 10o. Но при
наклоне в 10o астероид может отклониться от
плоскости эклиптики примерно на 0,5 а. е., при
наклоне 30o гходить от нее на 1,5 а.е. По
среднесуточному движению астероиды принято
делить на пять групп (рис. 5). Многочисленные по
составу группы I, II и III включают астероиды,
движущиеся, соответственно, во внешней (наиболее
удаленной от Солнца), центральной и внутренней
зонах кольца. В центральной зоне преобладают
астероиды сферической подсистемы, тогда как во
внутренней зоне 3/4 астероидов являются членами
плоской системы.
По мере перехода от внутренней
зоны к внешней становиться все больше круговых
орбит: в группе III эксцентриситет e<0,14 имеют
всего 36% астероидов, в группе II таких 44%, а в группе
III -60%. Вероятно, это объясняется тем, что Юпитер,
движущийся за внешней окраиной кольца,
"вычистил" свои окрестности : тела на
больших эксцентричных орбитах могли,
приближаясь к Юпитеру, испытывать сильные
возмущения с его стороны и в результате
выметались из кольца и даже из планетной системы.
Сохранились лишь тела на менее эксцентричных
орбитах, недостижимые для этого гиганта
Солнечной системы. Все астероиды кольца
находятся, если так можно выразиться, в
безопасной зоне. Но и они все время исаытывают
возмущения со стороны планет. Самое сильное
воздействие на них оказывает, конечно, Юпитер.
Поэтому их орбиты непрерывно меняются. Если быть
совсем строгими, то нужно сказать, что путь
астероида в пространстве представляет собой не
эллипсы, а незамкнутые квазиэллиптические витки,
укладывающиеся радом друг с другом. Лишь изредка
- при сближении с планетой - витки заметно
отклоняются один от дргого. Планеты возмущают,
конечно, движение не только астероидов, но и друг
друга. Однако возмущения, испытываемые самими
планетами, малы и не меняют структуры Солнечной
системы. Они не могут привести к столкновению
планет друг с другом. С астероидами дело обстоит
иначе. Из-за больших эксцентриситетов и наклонов
орбит астероидов под действием планетных
возмущений меняются довольно сильно даже в том
случае,если не происходит сближений с планетами.
Астероиды отклоняются со своего пути то в одну,
то в другую сторону. Чем дальше, тем больше
становятся эти отклонения : ведь планеты
непрерывно "тянут" астероид, каждая к себе,
но сильнее всех Юпитер. Наблюдения астероидов
охватывают еще слишком малые промежутки времени,
чтобы можно было выявить существенные изменения
орбит большинства астероидов, за исключением
отдельных редких случаев. Поэтому наши
представления об эволюции их орбит основаны на
теоретических соображениях. Коротко они сводятя
к следующему. Орбита кажого астероида колеблется
около своего среднего положения, затрачивая на
каждое колебание несколько десятков или сотен
лет. Синхронно меняются с небольшой амплитудой
ее полуось, эксцентриситет и наклон. Перигелий и
афелий то приближаются к Солнцу, то удаляются от
него. Эти колебания включаются как составная
часть в колебания большего периода - тысячи или
десятки тысяч лет. Они имеют несколько другой
характер. Большая полуось не испытывает
дополнительных изменений. Зато амплитуды
колебаний эксцентриситета и наклона могут быть
намного больше. При таких масштабах времени
можно уже не рассматривать мгновенных положений
планет на орбитах : как в ускоренном фильме
астероид и планета оказываются как бы
размазанными по своим орбитам. Становится
целесообразным рассматривать их как
гравитирующие кольца. Наклон астероидного
кольца к плоскости эклиптики, где находятся
планетные кольца - источник возмущающих сил, -
приводит к тому, что астероидное кольцо ведет
себя подобно волчку или гироскопу. Только
картина оказывается более сложной, потому что
орбита астероида не является жесткой и ее форма
меняется с течением времени. Орбита астероида
вращается так, что нормаль к ее плоскости,
восстановленная в том фокусе, где находится
Солнце, описывает конус. При этом линия узлов
вращается в плоскости эклиптики с более или
менее постоянной скоростью по часовой стрелке. В
течение одного оборота наклонение,
эксцентриситет, перигелийное и афелийное
расстояния испытывают два колебания. Когда линия
узлов совпадает с линией аспид (а это случается
дважды за один оборот), наклон оказывается
максимальным, а эксцентриситет минимальным.
Форма орбиты становится ближе к круговой, малая
полуось орбиты увеличивается, перигелий
максимально отодвинут от Солнца, а афелий
приближен к нему (поскольку q+q'=2a=const). Затем линия
узлов смещается, наклон уменьшается, перигелий
движется к Солнцу, афелий - прочь от него,
эксцентриситет растет, а малая полуось орбиты
сокращается. Экстремальные значения
достигаются, когда линия узлов оказывается
перпендикулярной линии аспид. Теперь перигелий
расположен ближе всего к Солнцу, афелий дальше
всего от него, и обе эти точки сильнее всего
отклоняются от эклиптики. Исследования эволюции
орбит на длительных промежутках времени
показывают, что описанные изменения включаются в
изменения еще большего периода, происходящие с
еще большими амплитудами колебаний элементов,
причем в движение включается и линия аспид. Итак,
каждая орбита непрерывно пульсирует, да и к тому
же еще и вращается. При малых e и i их колебания
происходят с малыми амплитудами. Почти круговые
орбиты, лежащие к тому же вблизи плоскости
эклиптики, меняются едва заметно. У них все
сводится к легкой деформации и слабому
отклонению то одной, то другой части орбиты от
плоскости эклиптики. Но чем больше
эксцентриситет и наклон орбиты, тем сильнее
проявляются возмущения на больших промежутках
времени. Таким образом, планетные возмущения
приводят к непрерывному перемешиванию орбит
астероидов, а стало быть, и к перемешиванию
движущихся по ним объектов. Это дает возможным
столкновения астероидов друг с другом. За
минувшие 4,5 млрд. лет, с тех пор как существуют
астероиды, они испытали много столкновений друг
с другом. Наклоны и эксцентриситеты орбит
приводят к непараллельности их взаимных
движений, и скорость, с которой астероиды
проносятся один мимо другого (хаотичная
компонента скорости), в среднем составляет около
5 км/с. Столкновения с такими скоростями ведут к
разрушению тел.
Форма и вращение астероидов
Астероиды так малы, что сила
тяжести на них ничтожна. Она не в состоянии
придать им форму шара, какую придает планетам и
их большим спутникам, сминая и утрамбовывая их
вещество. Большую роль при этом играет явление
текучести. Высокие горы на Земле у подошвы
"расползаются", так как прочность пород
оказывается недостаточной для того, чтобы
выдержать нагрузки во многие тонны на 1 см3,и
камень, не дробясь, не раскалываясь, течет, хотя и
очень медленно. На астероидах поперечником до
300-400 км из-за малого веса там пород подобное
явление текучести вовсе отсутствует, а на самых
крупных астероидах оно происходит чрезвычайно
медленно, да и то лишь в их недрах. Поэтому
"утрамбованы" силой тяжести могут быть лишь
глубокие недра немногих крупных астероидов.Если
вещество астероидов не проходило стадии
плавления, то оно должно было остаться "плохо
упакованным", примерно, каким возникло на
стадии аккумуляции в протопланетном облаке.
Только столкновения тел друг с другом могли
привести к тому, что вещество постепенно
уминалось, становясь менее рыхлым. Впрочем, новые
столкновения должны были дробить спрессованное
вещество. Малая сила тяжести позволяет разбитым
астероидам существовать в виде агрегатов,
состоящих из отдельных блоков, удерживающихся
друг около друга силами тяготения, но не
сливающихся друг с другом. По той же причине не
сливаются с ними и опустившиеся на поверхность
астероидов их спутники. Луна и Земля,
соприкоснувшись друг с другом, слились бы, как
сливаются (хотя и по другой причине)
соприкоснувшиеся капли, и через некоторое время
получилось бы одно, тоже шарообразное тело, по
форме которого нельзя было бы догадаться, из чего
оно получилось. Впрочем, все планеты Солнечной
системы на закючительном этапе формирования
вбирали в себя довольно крупные тела, не сумевшие
превратиться в самостоятельные планеты или
спутники. Теперь их следов уже нет. Лишь самые
крупные астероиды могут сохранять свою
шарообразную форму, приобретенную в период
формирования, если им удастся избежать
столкновения с немногочисленными телами
сравнимых размеров. Столкновения с более мелкими
телами не смогут существенно изменить ее. Мелкие
же астероиды должны иметь и действительно имеют
неправильную форму, сложившуюся в результате
многих столкновений и не подвергавшуюся в
дальнейшем выравниванию под действием силы
тяжести. Кратеры, возникшие на поверхности даже
самых крупных астероидов при столкновении с
мелкими телами, "не заплывают" с течением
времени. Они сохраняются др тех пор, пока не будут
стерты при следющих ударах об астероид мелких
тел, или сразу уничтожены ударом крупного тела.
Поэтому горы на астероидах могут быть гораздо
выше, а впадины гораздо глубже, чем на Земле и
других планетах : среднее отклонение от уровня
сглаженной поверхности на крупных астроидах
составляет 10 км и более, о чем свидетельствуют
радиолокационные наблюдения астероидов.
Неправильная форма астероидов подтверждается и
тем, что их блеск необычайно быстро падает с
ростом фазового угла. У Луны и Меркурия
аналогичное уменьшение блеска вполне
объясняется только уменьшением видимой с Земли
доли освещенной Солнцем поверхности : тени гор и
впадин оказывают слабое влияние на общий блеск.
Иначе обстоит дело с астероидами. Одним лишь
изменением освещенной Солнцем доли поверхности
астероида столь быстрое изменение их блеска,
которое наблюдается, объяснить нельзя. Основная
причина (особенно у астероидов малых размеров)
такого характера изменения блеска заключается в
их неправильной форме и крайней степени
изрытости, из-за чего на освещенной Солнцем
стороне одни участки поверхности экранируют
другие от солнечных лучей.
Температура астероидов
Астероиды - насквозь холодные,
безжизненные тела. В далеком пршлом их недра
могли быть теплыми и даже горячими за счет
радиоактивных или каких-то иных источников
тепла. С тех пор они уже давно остыли. Впрочем,
внутренний жар никогда не согревал поверхности :
поток тепла из недр был неощутимо мал.
Поверхностные слои оставались холодными, и лишь
столкновения время от времени вызывали
кратковременный локальный разогрев.
Единственным постоянным источником тепла для
астероидов остается Солнце, далекое и поэтому
греющее очень плохо. Нагретый астероид излучает
в космическое пространство тепловую энергию,
причем тем интенсивнее, чем сильнее от нагрет.
Потери покрываются поглощаемой частью солнечной
энергии, падающей на астероид, которая убывает
обратно пропорционально квадрату
гелиоцентрического расстояния. Опираясь на эти
рассуждения и используя закон Стефана-Больцмана,
получили, что у С-астероидов на расстоянии 2,76 а. е.
от Солнца (среднее расстояние Цереры)
максимальная температура в подсолнечной точке
достигает 170 К, а на расстоянии 5,2 а. е. (среднее
расстояние троянцев) - 125 К. Светлые S-астероиды
согреваются хуже, потому что из-за большого
альбедо они поглощают примарно на 10% меньше
солнечной энергии. Такие светлые астероиды, как
Веста, поглощают примерно на 20% меньше солнечной
энергии (рис. 7). Если усреднить температуру по
всей освещенной поверхности, получим, что у
астероидов сферической формы средняя
температура освещенной поверхности в 1,2 раза
ниже, чем температура в подсолнечной точке. Из-за
вращения астероидов температура их поверхности
быстро меняется. Нагретые Солнцем участки
поверхности быстро остывают из-за низкой
теплоемкости и малой теплопроводности
слагающего их вещества. В разультате по
поверхности астероида бежит тепловая волна. Она
быстро затухает с глубиной, не проникая в глубину
даже на несколько десятков сантиметров. Глубже
температура вещества оказывается практически
постоянной, такой же, как в недрах астероида - на
несколько десятков градусов ниже средней
температуры освещенной Солнцем поверхности. У
тел, движущихся в кольце астероидов, ее грубо
можно принять равной 100-150 К. Как ни мала тепловая
инерция поверхностных слоев астероида, все же,
если быть совсем строгими, то следует сказать,
что температура не успевает принимать
равновесного значения с изменением условий
освещения. Утренняя сторона, не успевая
согреваться, всешда чуть-чуть холоднее, чем
следовало бы, а вечерняя сторона оказывается
чуть-чуть теплее, не успевая остывать.
Относительно подсолнечной точки возникает
легкая асимметрия в распределении температур.
Максимум теплового излучения астероидов лежит в
области длин волн порядка 20 мкм. Поэтому их
инфракрасные спектры должны выглядеть как
непрерывное излучение с интенсивностью,
монотонно убывающей в обе стороны от максимума.
Это подтверждается наблюдениями 10 Гигии, 39
Летиции и 40 Гармонии, проведенными О. Хансеном в
диапазоне 8-20 мкм. Однако, когда Хансен попытался
на основании этих наблюдений определить
температуру астероидов, она оказалась выше
расчетной (около 240 К), и причина этого до сих пор
не ясна. Низкая температура тел, движущихся в
кольце астероидов, означает, что диффузия в
астероидном веществе "заморожена". Атомы не
способны покидать свои места. Их взаимное
расположение сохраняется неизменным на
протяжении миллиардов лет. Только благодаря
этому мы можем изучать особенности расположения,
возникшие в пылинках еще до вхождения в астероид,
исследовать тонкие каналы - треки, пробитые
частицами космических лучей в астероидом
веществе, находившемся когда-то на повехности
этих тел, а потом замурованном в метеоритах,
обнаруживать на поверхности отдельных частиц,
извлеченных из метеоритов, крошечные кратерочки
микронных размеров, созданных столкнувшимися с
ними пылинками. Изоляция способна вызвать к
жизни диффузию только у тех астероидов, которые
движутся по орбитам с малыми перигелийными
расстояниями (благодаря чему сильно
приближаются к Солнцу), но лишь в поверхностных
слоях и на короткое время. Следы такой диффузии
несомненно несет в себе приповерхностное
вещество астероида Икар. Ведь в перигелии
поверхность Икара нагревается примерно до 1000 К.
Вещество тех метеоритов, которые приближались к
Солнцу, например, метеоритов Вашугал, Старое
Песьяное и других (о чем можно судить, исследуя
орбиты метеоритов), тоже должно носить следы
такой диффузии - следы кратковременного, но
неоднократно повторяющегося нагрева. Эти следы
пока не идентифицированы, но, может быть,
размороженная на время диффузии явилась
причиной аномально коротких (как бы отожженных)
треков от космических лучей, обнаруженных в
метеорите Марьялахти советскими
исследователями В. П. Перелыгиным и другими.
Состав астероидного вещества
Метеориты крайне разнообразны,
как разнообразны и их родительские тела -
астероиды. В то же время поражает убогость их
минералогического состава. Метеориты состоят, в
основном, из железо-магнезиальных силикатов -
оливинов и пироксенов разного состава, от почти
чистого фаялита и ферросилита, не содержащих
магния, до почти чистого форстерита и энстанита,
не содержащих железа. Они присутствуют в виде
мелких кристалликов или в виде стекла, обычно
частично перекристаллизованного. Другой
основной компонент - никелистое железо, которое
представляет собой твердый раствор никеля в
железе, и, как в любом растворе, содержание никеля
в железе бывает различно - от 6-7% до 30-50%. Изредка
встречается и безникелистое железо. Иногда в
значительных колличествах присутствуют
сульфиды железа. Прочие же минералы находятся в
малых количествах. Удалось выявить всего около 150
минералов, и, хотя даже теперь открывают все
новые и новые, ясно, что число минералов
метеоритов очень мало по стравнению с обилием их
в горных породах Земли, где их выявлено более 1000.
Это свидетельствует о примитивном, неразвитом
характере метеоритного вещества. Многие
минералы присутствуют не во всех метеоритах, а
лишь в некоторых из них. Наиболее распространены
среди метеоритов хондриты. Это каменные
метеориты от светлосерой до очень темной окраски
с удивительной структурой : они содержат
округлые зерна - хондры, иногда хорошо видимые на
поверхности разлома и легко выкрашивающиеся из
метеорита. Размеры хондр различны - от
микроскопических до сантиметровых. Они занимают
значительный объем метеорита, иногда до половины
его, и слабо сцементированы междхондровым
веществомматрицей. Состав матрицы бывает
идентичен с составом хондр, а иногда и отличается
от него. В межхондровом веществе нередко находят
разбитые хондры и их обломки. Такая структура
присуща только метеоритам (причем многим из них !)
и не встречается больше нигде. Сложенные, в
основном, железо-магнезиальными силикатами,
хондриты содержат и мелкодисперсное никелистое
железо, сульфиды и другие минералы.По поводу
происхождения хондр существует много гипотез, но
все они спорные. Короче говоря, происхождение
хондр до сих пор не известно. Различают HH, H, L и
LL-хондритыс очень высоким, низким и очень низким
содержанием свободного металлического железа.
Соответственно, при переходе от одного класса к
другому убывает и общее содержание железа
(свободного и входящего в силикаты). Кроме того,
выделяют группу E-хондритов, в которых почти все
железл находится в свободном состоянии, так что
силикатам достается почти один магний, а также
группу углистых С-хондритов, в которых очень мало
железа, но почти все оно находится в силикатах.
Формирование астероидов
В период формирования Солнца
условия в протопланетом диске не были, конечно,
одинаковыми на разных расстояниях от Солнца и
менялись с течением времени. Вещество оставалось
холодным только вдали от Солнца. Вблизи него было
сильно прогрето и пыль подвергалась полному или
частичному испарению. Лишь позднее, когда газ
остыл, она сконденсировалась снова, но большая
часть летучих веществ, содержащихся в
межзвездных пылинках, оказалась потеряна и в
новую пыль уже не вошла. Эволюция
протопланетного диска привела к формированию в
нем планетезималей, из которых потом выросли
планеты. Состав планетезималей, формировавшихся
на разных гелиоцентрических расстояниях, из-за
разного состава пыли, пошедшей на их постройку,
был различным. Так уж случилось, что астероиды -
это планетезимали, сформировавшиеся на границе
горячей и холодной зоны протопланетного диска,
сохранившиеся до наших дней. Хотя кольцо
астероидов имеет небольшую протяженность (всего
около 1 а. е.), различие условий в нем было,
по-видимому, достаточным, чтобы сформировать
непохожие друг на друга S- и С-астероиды. Вполне
логично думать, что S-астероиды сформировались в
более теплой зоне, на меньших гелиоцентрических
расстояниях, чем С-астероиды, а теперь медленно
перемешиваются. Однако, поскольку вообще
сохранились лишь те тела, которые сформировались
на наиболее усчтойчивых орбитах, полного
перемешивания их за истекшие 4,5 млрд. лет не
произошло. Поэтому-то до сих пор С-астероиды
тяготеют к внешней часи кольца, а S-астероиды - к
внктренней. Но, сталкиваясь друг с другом, они
загрязняют поверхность друг друга своим
веществом, и, вероятно, поэтому цвет S- и
C-астероидов медленно меняется с
гелиоцентрическим расстоянием. Астероиды
формировались в протопланетном облаке как
рыхлые агрегаты. Малая сила тяжести не могла
спрессовать сгустившиеся из пыли планетезимали.
За счет радиоактивного тепла они разогревались.
Этот разогрев, как показали расчеты Дж. Вуда, шел
весьма эффективно : ведь рыхлые тела хорошо
удерживают тепло. Разогрев начался еще на стадии
роста астероидов. Их вещество в центральных
частях грелось, спекалось, и, может быть, даже
плавилось, а на поверхности астероидов все еще
продолжала высыпаться пыль, пополняя рыхлый,
теплоизолирующий слой. Основным источником
разогрева сейчас принято считать алюминий-26, тот
самый алюминий-26, который за миллион лет до
формирования астероидов был впрыснут вместе с
веществом сверхновой звезды в протосолнечную
туманность.
Столкновения астероидов между собой на первых
порах тоже вели к уплотнению их вещества.
Астероиды становились компактными телами. Но в
дальнейшем возмущения от выросших ланет привели
к росту скоростей, с которыми происходили
столкновения. В результате уже более или менее
компактные тела были разбиты. Столкновения
повторялись неоднократно, дробя, встряхивая,
перемешивая, сваривая обломки, и снова дробя. Вот
почему современные астероиды представляют
собой, скорее всего, плохо упакованные глыбы. К
земной орбите мелкие астероидные обломки,
поступают, конечно, из кольца астероидов. Это
происходит благодаря еще не вполне ясному в
деталях механизму последовательной резонансной
раскачки орбит под действием планетных
возмущений. Но раскачка происходит лишь в
некоторых зонах кольца. Астероиды из разных мест
кольца поступают неодинаково эффективно, и
обломки в окрестностях земной орбиты могут вовсе
не быть представителями тех объектов, которые
движутся за орбитой Марса. А в земной атмосфере
выживают только самые медленные и самые прочные
из них, что приводит к дальнейшему отбору.
Поэтому в наших коллекциях, несомненно,
отсутствуют многие разновидности астероидного
вещества, и, возможно, что представление об
астероидном веществе, как о веществе плотном и
компактном, не что иное, как устаревшее,
навеянное метеоритами заблуждение.
Заключение
Как бы ни были велики
успехи изучения астероидов сегодня, будщее
принадлежит, вероятно, исследованиям с помощью
космических аппаратов. Они могут снять
многочисленные трудности, стоящие перед
исследователями, но, можно не сомневаться,
поставят перед ними и новые проблемы.
