В 18 веке наблюдения за всеми известными планетами (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн) привели астрономов к выявлению закономерностей на их орбитах. В конце концов, это привело к Закон Тита – Боде , который предсказал расстояние между планетами. В соответствии с этим законом между орбитами Марса и Юпитера оказался заметный разрыв, и его исследование привело к крупному открытию.
Помимо нескольких наблюдаемых более крупных объектов, астрономы начали замечать бесчисленные тела меньшего размера, также вращающиеся между Марсом и Юпитером. Это привело к созданию термина «астероид», а также «Пояса астероидов», когда стало ясно, сколько их было. С тех пор этот термин вошел в обиход и стал основой наших астрономических моделей.
Открытие:
В 1800 году, надеясь решить проблему, созданную законом Тициуса-Боде, астроном барон Франц Ксавер фон Зак завербовал 24 своих коллег-астрономов в клуб, известный как «Объединенное астрономическое общество» (иногда называемый «звездной полицией»). . В то время в его ряды входил знаменитый астроном Уильям Гершель, открывший Уран и его спутники в 1780-х годах.
По иронии судьбы первым астрономом, сделавшим открытие в этих регионах, был Джузеппе Пиацци, заведующий кафедрой астрономии в Университете Палермо, которого попросили вступить в Общество, но он еще не получил приглашения. 1 января 1801 года Пиацци наблюдал крошечный объект на орбите с точным радиусом, предсказанным законом Тициуса-Боде.
Церера (слева, изображение Рассвета) в сравнении с Тетисом (справа, изображение Кассини) в сравнительных масштабах. Кредиты: NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA и NASA / JPL-Caltech / SSI. Сравнение Дж. Мейджора.
Первоначально он считал, что это комета, но продолжающиеся наблюдения показали, что у нее нет комы. Это заставило Пиацци подумать, что найденный им объект, который он назвал « Церера «В честь римской богини урожая и покровительницы Сицилии - фактически могла быть планетой. Пятнадцать месяцев спустя Генрих Ольберс (член Общества) обнаружил второй объект в том же районе, который позже был назван 2 Паллада .
По внешнему виду эти объекты казались неотличимыми от звезд. Даже при максимальном увеличении телескопа они не распадались на диски. Однако их быстрое движение свидетельствовало об общей орбите. Поэтому Уильям Гершель предложил выделить их в отдельную категорию под названием «астероиды» - по-гречески «звездообразные».
К 1807 году дальнейшее расследование выявило два новых объекта в регионе: 3 Юнона а также 4 Веста; и к 1845 г. 5 Астрея был найден. Вскоре после этого новые объекты обнаруживались все более быстрыми темпами, и к началу 1850-х годов термин «астероиды» постепенно вошел в обиход. То же самое и с термином «Пояс астероидов», хотя неясно, кто придумал этот конкретный термин. Тем не менее, термин «основной пояс» часто используется, чтобы отличить его от Ремень Cooper .
К середине 1868 года была обнаружена сотня астероидов, а в 1891 году введение астрофотографии Максом Вольфом еще больше ускорило скорость открытия. В общей сложности к 1921 году было обнаружено 1000 астероидов, 10 000 к 1981 году и 100 000 к 2000. Современные системы исследования астероидов теперь используют автоматизированные средства для определения местоположения новых малых планет во все возрастающих количествах.
Астероиды внутренней Солнечной системы и Юпитер: пояс астероидов в форме пончика расположен между орбитами Юпитера и Марса. Предоставлено: Wikipedia Commons.
Состав:
Несмотря на распространенное мнение, пояс астероидов в основном представляет собой пустое пространство, а астероиды разбросаны по большому пространству. Тем не менее, в настоящее время известны сотни тысяч астероидов, а общее количество исчисляется миллионами и более. Известно, что более 200 астероидов имеют диаметр более 100 км, и исследование в инфракрасном диапазоне длин волн показало, что пояс астероидов насчитывает 0,7–1,7 миллиона астероидов с диаметром 1 км (0,6 мили) или более.
Расположенный между Марсом и Юпитером, пояс колеблется от 2,2 до 3,2 астрономических единиц (а.е.) от Солнца и имеет толщину 1 а.е. Его общая масса оценивается в 2,8 × 1021до 3,2 × 1021килограммы - что эквивалентно примерно 4% массы Луны. Четыре самых больших объекта - Церера, 4 Веста, 2 Паллада и 10 Гигея - составляют половину общей массы пояса, причем почти треть приходится только на Цереру.
Основное (или основное) население пояса астероидов иногда делится на три зоны, основанные на так называемом Кирквуд Гэпс . Названные в честь Дэниела Кирквуда, объявившего в 1866 году об открытии промежутков между астероидами, они описывают размеры орбиты астероида на основе его большой полуоси.
В этой схеме есть три зоны. Зона I находится между резонансными промежутками Кирквуда 4: 1 и 3: 1, которые находятся на расстоянии 2,06 и 2,5 а.е. от Солнца соответственно. Зона II продолжается от конца зоны I до резонансного промежутка 5: 2, который находится на расстоянии 2,82 а.е. от Солнца. Зона III простирается от внешнего края зоны II до резонансного промежутка 2: 1 на уровне 3,28 а.е.
Пояс астероидов также можно разделить на внутренний и внешний пояса, при этом внутренний пояс образован астероидами, вращающимися ближе к Марсу, чем промежуток Кирквуда 3: 1 (2,5 а.е.), а внешний пояс образован этими астероидами, находящимися ближе к орбите Юпитера.
Астероиды, которые имеют радиус 2,06 а.е. от Солнца, можно считать внутренней границей пояса астероидов. Возмущения Юпитера сбивают с пути тела на нестабильные орбиты. Большинство тел, образовавшихся внутри радиуса этой пропасти, были унесены Марсом (афелий которого составляет 1,67 а.е.) или выброшены его гравитационными возмущениями в ранней истории Солнечной системы.
Температура пояса астероидов зависит от расстояния от Солнца. Для частиц пыли внутри ленты типичные температуры находятся в диапазоне от 200 K (-73 ° C) при 2,2 AU до 165 K (-108 ° C) при 3,2 AU. Однако из-за вращения температура поверхности астероида может значительно варьироваться, поскольку стороны попеременно подвергаются воздействию солнечного излучения, а затем - звездного фона.
Состав:
Как и планеты земной группы, большинство астероидов состоит из силикатной породы, а небольшая часть содержит такие металлы, как железо и никель. Остальные астероиды состоят из их смеси, а также материалов, богатых углеродом. Некоторые из более далеких астероидов, как правило, содержат больше льда и летучих веществ, в том числе водяной лед.
Веста видна с космического телескопа Хаббл, базирующегося на околоземной орбите, в 2007 году (слева) и вблизи космического корабля Dawn в 2011 году. Хаббл Авторы: НАСА, ЕКА и Л. Макфадден (Университет Мэриленда). Авторы и права: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе / MPS / DLR / IDA. Комбинация фотографий: Элизабет Хауэлл
Главный пояс состоит в основном из три категории астероидов : С-тип или углеродистые астероиды; S-типа, или силикатные астероиды; и М-тип, или металлические астероиды. Углеродистые астероиды богаты углеродом, доминируют во внешних областях пояса и составляют более 75% видимых астероидов. Их поверхностный состав аналогичен углеродистым хондритовым метеоритам, а их спектры аналогичны спектрам ранней Солнечной системы.
Астероиды S-типа (богатые силикатами) чаще встречаются во внутренней части пояса, в пределах 2,5 а.е. от Солнца. Обычно они состоят из силикатов и некоторых металлов, но не из значительного количества углеродистых соединений. Это указывает на то, что их материалы были значительно изменены с течением времени, скорее всего, путем плавления и преобразования.
Астероиды М-типа (богатые металлами) составляют около 10% всего населения и состоят из железо-никелевых и некоторых силикатных соединений. Считается, что некоторые из них образовались из металлических ядер дифференцированных астероидов, которые затем были фрагментированы в результате столкновений. В пределах пояса астероидов, распределение этих типов астероидов достигает максимума на большой полуоси примерно в 2,7 а.е. от Солнца.
Есть также загадочные и относительно редкие астероиды V-типа (или базальтовые). Эта группа получила свое название от того факта, что до 2001 года считалось, что большинство базальтовых тел в Поясе астероидов образовались на астероиде Веста. Однако открытие базальтовых астероидов с разным химическим составом предполагает разное происхождение. Текущие теории образования астероидов предсказывают, что астероидов V-типа должно быть больше, но 99% из предсказанных в настоящее время отсутствуют.
Семьи и группы:
Примерно одна треть астероидов в поясе астероидов являются членами семейство астероидов . Они основаны на сходстве элементов орбиты, таких как большая полуось, эксцентриситет, наклоны орбиты и аналогичные спектральные особенности, все из которых указывают на общее происхождение. Скорее всего, это могло быть связано со столкновениями между более крупными объектами (со средним радиусом ~ 10 км), которые затем распались на более мелкие тела.
Концепция художника показывает, как создаются семейства астероидов. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.
Некоторые из самых известных семейств в поясе астероидов - это семьи Флора, Эуномия, Коронис, Эос и Фемида. Семья Флора, одна из крупнейших, насчитывает более 800 известных членов, возможно, образовалась в результате столкновения менее миллиарда лет назад. Это семейство, расположенное во внутренней части Пояса, состоит из астероидов S-типа и составляет примерно 4-5% всех объектов Пояса.
Семейство Eunomia - еще одна большая группа астероидов S-типа, получившая свое название от греческой богини Eunomia (богини закона и доброго порядка). Это наиболее известное семейство в промежуточном поясе астероидов, на которое приходится 5% всех астероидов.
Семейство Коронис состоит из 300 известных астероидов, которые, как считается, образовались не менее двух миллиардов лет назад в результате столкновения. Самый крупный из известных, 208 Лакримоза , имеет около 41 км (25 миль) в диаметре, в то время как было обнаружено еще 20, которые больше 25 км в диаметре.
Семейство Eos (или Eoan) - известное семейство астероидов, которые вращаются вокруг Солнца на расстоянии 2,96 - 3,03 а.е., и, как полагают, образовались в результате столкновения 1-2 миллиарда лет назад. Он состоит из 4400 известных членов, которые напоминают астероиды S-типа. Однако исследование Eos и других членов семейства в инфракрасном диапазоне показывает некоторые отличия от S-типа, поэтому у них есть собственная категория (астероиды K-типа).
Астероиды, которые мы видели вблизи, показывают покрытые кратерами поверхности, похожие на кратеры на кометах, но отличающиеся от них. Предоставлено: НАСА.
Семейство астероидов Фемида находится во внешней части пояса астероидов, на среднем расстоянии 3,13 а.е. от Солнца. В эту основную группу входит астероид 24 Фемида (в честь чего он назван) и является одним из наиболее густонаселенных семейств астероидов. Он состоит из астероидов C-типа, состав которых, как считается, аналогичен составу углеродистых хондритов, и состоит из четко очерченного ядра более крупных астероидов и окружающей области более мелких.
Самый большой астероид, который может быть полноценным членом семьи, - это 4 Веста. Считается, что семья Веста образовалась в результате кратерообразующего удара по Весте. Точно так же HED метеориты возможно, также произошел от Весты в результате этого столкновения.
Помимо тел астероидов, пояс астероидов также содержит полосы пыли с радиусом частиц до нескольких сотен микрометров. Этот тонкий материал образуется, по крайней мере частично, в результате столкновений между астероидами и столкновений микрометеоритов с астероидами. В поясе астероидов были обнаружены три заметные полосы пыли, которые имеют такое же наклонение орбиты, как астероиды семейств Эос, Коронис и Фемида, и поэтому, возможно, связаны с этими группировками.
Источник:
Первоначально пояс астероидов считался остатком гораздо большей планеты, которая занимала область между орбитами Марса и Юпитера. Эта теория была первоначально предложена Генрихом Ольбдерсом Уильяму Гершелю в качестве возможного объяснения существования Цереры и Паллады. Однако эта гипотеза с тех пор потеряла популярность по ряду причин.
Впечатление художника о ранней Солнечной системе, где столкновения между частицами в аккреционном диске приводили к образованию планетезималей и, в конечном итоге, планет. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.
Во-первых, количество энергии, которое потребовалось бы для уничтожения планеты, было бы ошеломляющим. Во-вторых, это тот факт, что вся масса Пояса составляет всего 4% от массы Луны. В-третьих, значительные химические различия между астероидами не указывают на то, что они когда-то были частью одной планеты.
Сегодня научный консенсус состоит в том, что астероиды - это не фрагменты планеты-прародителя, а остатки ранней Солнечной системы, которые никогда не формировал планету . В течение первых нескольких миллионов лет истории Солнечной системы, когда гравитационная аккреция привела к образованию планет, сгустки вещества в аккреционном диске сливались, образуя планетезимали. Они, в свою очередь, соединились, чтобы сформировать планеты.
Однако в районе пояса астероидов планетезимали были слишком сильно возмущены гравитацией Юпитера, чтобы образовать планету. Эти объекты будут продолжать вращаться вокруг Солнца, как и раньше, время от времени сталкиваясь и производя более мелкие осколки и пыль.
На раннем этапе истории Солнечной системы астероиды также в некоторой степени таяли, что позволило элементам внутри них частично или полностью дифференцироваться по массе. Однако этот период был бы непременно коротким из-за их относительно небольшого размера и, вероятно, закончился около 4,5 миллиардов лет назад, в первые десятки миллионов лет образования Солнечной системы.
Хотя они относятся к ранней истории Солнечной системы, астероиды (в том виде, в каком они есть сегодня) не являются образцами ее изначальной сущности. С момента своего образования они претерпели значительную эволюцию, включая внутреннее нагревание, плавление поверхности от ударов, космическое выветривание из-за радиации и бомбардировку микрометеоритами. Следовательно, сегодня считается, что пояс астероидов содержит лишь небольшую часть массы изначального пояса.
Компьютерное моделирование предполагают, что первоначальный пояс астероидов мог иметь такую же массу, как Земля. В первую очередь из-за гравитационных возмущений большая часть материала была выброшена из пояса через миллион лет после его образования, оставив менее 0,1% от первоначальной массы. С тех пор распределение размеров пояса астероидов, как полагают, оставалось относительно стабильным.
Когда впервые образовался пояс астероидов, температуры на расстоянии 2,7 а.е. от Солнца образовали «снежную линию» ниже точки замерзания воды. По сути, планетезимали, сформированные за пределами этого радиуса, были способны накапливать лед, некоторые из которых могли образовывать источник воды океанов Земли (даже больше, чем кометы).
Исследование:
Пояс астероидов настолько малонаселен, что несколько беспилотных космических аппаратов смогли пройти через него; либо в рамках долгосрочной миссии к внешней части Солнечной системы, либо (в последние годы) в качестве миссии по изучению более крупных объектов пояса астероидов. Фактически, из-за низкой плотности материалов в Поясе вероятность столкновения зонда с астероидом сейчас оценивается менее чем в один на миллиард.
Художественный концепт космического корабля 'Рассвет', прибывающего на Весту. Изображение предоставлено НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Первым космическим кораблем, совершившим путешествие через пояс астероидов, был космический корабль Пионер 10 космический корабль, который вошел в регион 16 июля 1972 года. В рамках миссии к Юпитеру корабль успешно прошел через Пояс и пролетел мимо Юпитера (кульминация которого состоялась в декабре 1973 года), прежде чем стать первым космическим кораблем, достигшим второй космической скорости. из Солнечной системы.
В то время были опасения, что мусор может представлять опасность кПионер 10Космический зонд. Но после этой миссии 11 дополнительных космических кораблей прошли через пояс астероидов без происшествий. К ним относятся Пионер 11 , Вояджер 1 и 2 , Улисс , Галилео , ОКОЛО , Кассини , Звездная пыль , Новые горизонты ,ЕКА Розетта , и совсем недавно Рассвет космический корабль.
По большей части эти миссии были частью миссий во внешние области Солнечной системы, где возможности для фотографирования и изучения астероидов были ограничены. ТолькоРассвет,ОКОЛОи JAXA Хаябуса миссии изучали астероиды в течение длительного периода на орбите и на поверхности. Рассвет исследовал Весту с июля 2011 года по сентябрь 2012 года и в настоящее время находится на орбите Цереры (и отправляет обратно много интересных картинок характеристик его поверхности).
И когда-нибудь, если все пойдет хорошо, человечество сможет даже начать добыча ресурсов в поясе астероидов - такие как драгоценные металлы, минералы и летучие вещества. Эти ресурсы могут быть добыты на астероиде, а затем использованы в космосе для использования на месте (т. Е. Для превращения их в строительные материалы и ракетное топливо) или возвращены на Землю.
Возможно даже, что однажды человечество сможет колонизировать более крупные астероиды и основать аванпосты по всему Поясу. Между тем, предстоит еще много исследований и, возможно, еще миллионы объектов для изучения.
Мы написали много статей о поясе астероидов для Universe Today. Вот Откуда берутся астероиды? , Почему пояс астероидов не угрожает космическим кораблям , а также Почему пояс астероидов не является планетой? .
Кроме того, не забудьте узнать, какой Самый большой астероид в Солнечной системе , и об астероиде имени Леонард Нимой . А вот 10 интересных фактов об астероидах .
У нас также есть много интересных статей о миссии космического корабля 'Рассвет' Веста а также Церера , а также добыча астероидов .
Чтобы узнать больше, посмотрите Страница НАСА по лунной и планетарной науке на астероидах, а Пресс-релизы Hubblesite об астероидах .
Astronomy Cast также несколько интересных эпизодов об астероидах, таких как Эпизод 55: Пояс астероидов а также Эпизод 29: Астероиды портят соседей .
Источники: