АСТЕРОИДЫ В ПОВЕСТКЕ ДНЯ
В строении Солнечной системы есть особенность, по-видимому вовсе не характерная для всех планетных систем. Это — пояс малых планет, орбиты которых, за редкими исключениями, расположены между орбитами Марса и Юпитера. Даже наибольшие из этих тел в телескопы средних размеров выглядят звездообразными, перемещающимися на фоне созвездий объектами. Отсюда и второе наименование малых планет — астероиды, в буквальном переводе с греческого означающее «звездоподобные».
Сложилось мнение, что пояс астероидов представляет собою второстепенную, несущественную деталь Солнечной системы. В учебниках астрономии — школьных и вузовских — о малых планетах говорится скороговоркой. Книг, специально посвященных этой теме, очень мало — в мировой астрономической литературе обстоятельная монография И. И. Путилина *) до сих пор остается уникальной. Несмотря на многолетнюю и весьма плодотворную деятельность некоторых специализированных в этой области обсерваторий и институтов, изучение малых планет ведется пока главным образом с позиций небесной механики. Астрофизические исследования астероидов единичны и не подчинены какой-либо единой, целеустремленной программе.
Такому положению вещей отчасти способствовало временное ослабление интереса к изучению планет вообще, наступившее в первой половине текущего века. Изумительные успехи звездной астрономии временно оттеснили планетную астрономию на второй план. Исследование планет сделалось достоянием почти исключительно астрономов-любителей.
«Астрономы-профессионалы, — как справедливо отмечает Д. Койпер *), — с их большими телескопами были настолько заняты удивительными проблемами звезд, туманностей, скоплений, Галактики, звездной Вселенной, что астрономия стала почти исключительно наукой о звездах». Естественно, что неблагоприятная обстановка особенно сказалась на изучении малых планет.
*) Сборник «Планеты и спутники», ИЛ, 1963.
Наступление космической эры произвело переоценку ценностей во всех сферах человеческой деятельности, в том числе и в астрономии. Обреченная, казалось, на вечные времена быть чисто «наблюдательной» наукой, астрономия на наших глазах быстро превращается в науку экспериментальную.
Ближний космос становится ареной практической деятельности человечества. Перспективы в близком будущем вступить на поверхность Луны, а затем и ближайших планет выглядят сегодня совершенно реальными. Вполне закономерно, что в этих условиях планетная астрономия переживает второе рождение. Она превращается в очень важное подспорье космонавтики.
С точки зрения космонавтики астероиды интересны прежде всего в двух отношениях. При будущих полетах космических аппаратов сквозь пояс планет (рис. 1) метеорная опасность существенно возрастет. Количественная оценка этой опасности для конкретных траекторий космических аппаратов может быть уверенно сделана, очевидно, лишь тогда, когда строение и состав астероидного кольца станут нам известными достаточно хорошо. Сравнительно весьма небольшие массы астероидов, принципиально говоря, облегчают посадку на крупнейшие из малых планет и отлет с них. Но, с другой стороны, такая посадка осложнена отсутствием атмосферы вокруг астероидов — применить ё этом случае «воздушный тормоз» не удастся. В современной кос-монавтической литературе ставятся даже такие, с первого взгляда полуфантастические задачи, как использование природных богатств астероидов и транспортировка некоторых, наиболее ценных из них в район земной орбиты для разработки, так сказать, «на месте».
Можно по-разному оценивать актуальность и техническую осуществимость этих частных задач общего плана освоения ближнего космоса. Несомненно, однако, что значение астероидов для современной науки вовсе не исчерпывается их ролью в будущей космической деятельности человечества. Уже сегодня, сейчас всестороннее изучение астероидов может привести к решению некоторых важных проблем естествознания.
Малые планеты до сих пор остаются единственными небесными телами, которые мы изучаем двояко — астрономическими методами и, с другой стороны, непосредственно
в земных лабораториях. Действительно, в тех случаях, когда орбиты метеоритов удается определить достаточно точно, оказывается, что эти тела приходят на Землю из самой гущи астероидного кольца. Иначе говоря, не вызывает сомнений тот факт, что подавляющее количество метеоритов (если не все они) и малые планеты — тела одной природы и одного происхождения. В тех случаях, когда орбита астероида сильно вытянута (что характерно лишь для самых малых из них) и пересекает орбиту Земли, возникает возможность прямого столкновения астероида с нашей планетой. В этом случае малая планета имеет шансы попасть в земную лабораторию.
Единство природы метеоритов и астероидов необычайно расширяет проблематику изучения последних. Сочетая астрономические данные о малых планетах с результатами, добытыми метеоритикой, можно выяснить ряд космогонических проблем и в первую очередь такой кардинальный вопрос, как происхождение малых планет.
Была ли когда-нибудь на месте пояса астероидов крупная планета, катастрофически распавшаяся на множество осколков, или здесь, в этой области планетной системы, всегда, с самого начала ее формирования, существовали постепенно дробящиеся лишь небольшие тела — до сих пор окончательно не решено. Между тем то или иное решение вопроса послужило бы «пробным камнем» для ряда космогонических гипотез.
С другой стороны, открытие в метеоритах высокомолекулярных органических соединений и так называемых «организованных элементов», которые многие исследователи считают остатками внеземных организмов, ставит перед современным естествознанием такие проблемы, как эволюция органических веществ в космосе, возникновение жизни на Земле и за ее пределами. Не исключено, что решение этих волнующих проблем будет найдено именно при совместном изучении метеоритов и астероидов.
Новые проблемы не исключают, разумеется, и классических задач, решаемых с помощью астероидов. И впредь движение малых планет поможет разобраться в сложнейших задачах небесной механики. По-прежнему малые планеты останутся небесполезными при построении звездных каталогов.
Но все-таки не эти классические темы определяют дальнейшее изучение астероидов. Главными становятся проблемы астрофизические, космогонические, космонавтические. Комплексное изучение метеоритов и астероидов — вот главное в теперешних исследованиях малых планет.
Астероиды — в повестке дня современного естествознания. Мы надеемся, что актуальность темы побудит читателя к дальнейшему, более подробному знакомству с малыми планетами.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Первые открытия малых планет не были чистой случайностью. Еще в 1596 г. в книге «Тайны космографии» Иоганн Кеплер высказал догадку, что между орбитами Марса и Юпитера должна существовать еще одна неизвестная планета. Эта огромная область мирового пространства, казалось, должна быть чем-то заполненной.
С другой стороны, Кеплер настойчиво искал связь между расстояниями планет от Солнца и их периодами обращения. Но для построения простого эмпирического закона только известных планет было мало. И тогда, как пишет сам Кеплер, «я позволил себе странное и смелое предположение: я допустил, что кроме планет видимых существуют еще две планеты, невидимые по их чрезвычайной малости и находящиеся между Меркурием и Венерой и между Марсом и Юпитером».
Умозрительные предположения Кеплера были два века спустя (правда, лишь отчасти) подтверждены замечательным эмпирическим соотношением, связывающим средние расстояния планет от Солнца. Иоганн Тициус, профессор астрономии в Виттенберге, в 1772 г. обратил внимание на то, что величины больших полуосей планетных орбит в астрономических единицах *) достаточно хорошо представляются формулой Ял = 0,4+ 0,3-2".
Вот таблица, сравнивающая величины ап, вычисленные по этой формуле, с действительными расстояниями планет от Солнца:
Планета п Вычисленное расстояние ап. а. е. Действительное расстояние, а. е.
Меркурий 00 0,4 0,4
Венера 0 0,7 0,7
Земля 1 1,0 1,0
Марс 2 1,6 1,5
3 2,8
Юпитер 4 5,2 5,2
Сатурн 5 10,0 9,5
Уран 6 19,6 19,1
Нептун 7 38,8 30,1
Плутон 8 77,2 39,5
*) Астрономическая единица равна дл-ине большой полуоси земной орбиты (149,5 млн. км). Обозначается а. е.
Если учесть, что в те времена три последних планеты еще не были открыты, совпадение подмеченной закономерности с реальностью казалось современникам Тициуса просто удивительным.
Открытие Тициуса заинтересовало берлинского астронома Иоганна Боде, который не замедлил придать ему широкую огласку. Очень скоро «правило Тициуса — Боде», как стали именовать открытую закономерность, получило неожиданное подтверждение.
13 марта 1781 г. Вильям Гершель открыл Уран. Расстояние этой новой планеты от Солнца оказалось очень близким к тому, которое вытекало из правила Тициуса — Боде. Теперь уже мало кто из астрономов сомневался в том, что этот эмпирический закон отражает объективные связи природы. Но отсюда следовало, что между Марсом и Юпитером на самом деле должна существовать планета, большая полуось орбиты которой близка к 2,8 а. е.
Восемь лет спустя после открытия Урана Ф. Цах пытался вычислить орбиту гипотетической планеты, а в 1796 г. на астрономическом конгрессе в Готе была создана группа из 24 астрономов, получившая шутливое наименование «отряда небесной полиции». В него кроме Цаха входили, в частности, и такие видные астрономы, как Лаланд и Шре-тер. Задача состояла в том, чтобы организовать систематические поиски недостающей планеты. Для этой цели весь зодиакальный пояс разбили на 24 участка — по числу наблюдателей.
Поиски начались, но первые четыре года они не принесли желаемого результата. Открытие было сделано Джузеппе Пиацци, директором обсерватории в Палермо (Сицилия), не имевшим никакого отношения к «отряду небесной полиции».
В ночь с первого на второе января 1801 г. Пиацци измерял положение звезд в созвездии Тельца. Это был очередной этап многолетней трудоемкой работы — составления нового звездного каталога. На следующую ночь Пиацци заметил, что одна из звезд, наблюдавшихся им накануне, чуть сместились к западу, тогда как остальные полсотни звезд остались неподвижными. На третью ночь Пиацци окончательно убедился, что движущийся объект не звезда, а тело, принадлежащее к Солнечной системе.
Решив, что ему случайно удалось открыть новую комету, Пиацци продолжил наблюдения, никого поначалу, однако,
не извещая о сделанном открытии. Лишь 24 января он послал сообщение в Берлин и Милан. Почта была плохая, время тревожное — Европу потрясали наполеоновские войны, — и письмо Пиацци достигло Берлина 20 марта, а Милана и того позже — 5 апреля.
Любопытно, что как раз в эти месяцы, пока письма Пиацци добирались до адресатов, молодой иенский философ Георг Гегель опубликовал диссертацию, где с позиций чисто умозрительных пытался доказать, что более семи планет в Солнечной системе быть не может.
Находившийся в Берлине Боде, получив письмо Пиацци, игнорировал острополемические философские спекуляции Гегеля. Он ни на минуту не усомнился в том, что наконец открыта давно разыскиваемая планета. К сожалению, в это время она скрылась в лучах Солнца, и для того, чтобы снова ее отыскать, предстояло по наблюдениям Пиацци с достаточной точностью вычислить ее орбиту.
Задача была очень трудной. Открытая и вновь потерянная планета наблюдалась Пиацци в течение 40 дней. За это время она описала на небосводе дугу около трех градусов — всего шесть видимых поперечников Луны. Для точного определения орбиты этих данных, по мнению тогдашних астрономов-теоретиков, было явно недостаточно. Складывалась досадная ситуация, требующая какого-то выхода.
Он был найден Карлом Гауссом, тогда еще мало кому известным 24-летним доцентом Геттингенского университета. Гаусс разработал новый изящный способ, позволявший определить орбиту небесного тела всего по трем его наблюдениям. Можно ли было найти лучший случай для проверки новой теории?
Вооруженный еще ранее изобретенным им способом наименьших квадратов, Гаусс принялся за вычисление и уже в ноябре 1801 г. обнародовал полученные им результаты. Большая полуось новой планеты получилась равной 2,8 а. е. — в полном согласии с правилом Тициуса — Боде. Гаусс определил и положение планеты на небе, но продолжительная пасмурная погода мешала астрономам снова найти утерянную было планету. Лишь в последнюю, новогоднюю ночь 1801 г. Фридрих Ольберс, астроном из Берлина, увидел в созвездии Девы, очень близко от места, указанного Гауссом, подозрительную не отмеченную на картах звездочку. Так была вторично найдена планета, получившая
по предложению Пиацци имя Цереры, богини-покровительницы Сицилии.
Казалось, здесь следовало поставить точку. Недостающая планета была найдена, и притом как раз в том месте, где ее искали. Небесная механика благодаря Гауссу добилась очередного триумфа, правило Тициуса — Боде получило права закона — «закона планетных расстояний». Чего же большего можно желать?
28 марта 1802 г., наблюдая Цереру, Ольберс недалеко от нее совершенно неожиданно для себя заметил еще одну незнакомую звездочку. Двух часов наблюдения оказалось достаточным, чтобы этот объект заметно сместился на фоне обычных звезд. Так, вопреки ожиданиям, в списке планет Солнечной системы появился еще один член — малая планета Паллада.
В отличие от Цереры, Паллада имела орбиту, сильно наклоненную (под углом 34°) к плоскости земной орбиты, и хотя ее большая полуось также получилась равной 2,8 а. е., простая схема строения Солнечной системы показалась и Ольберсу и его современникам безнадежно утраченной.
«Где тот прекрасный закономерный порядок, которому, по-видимому, подчинялись планеты в своих расстояниях? — писал Ольберс к Боде. — Мне кажется, еще рано философствовать по этому поводу; мы должны сначала наблюдать и определять орбиты, чтобы иметь верные основания для наших предположений, тогда, быть может, мы решим или по крайней мере приблизительно выясним, всегда ли Церера и Паллада пробегали свои орбиты в мирном соседстве, отдельно одна от другой, или обе являются только обломками, только кусками прежней, большой планеты, которую взорвала какая-нибудь катастрофа.»
Гипотеза Ольберса, реабилитирующая представления о стройности Солнечной системы, на первых порах быстро нашла себе, как тогда считали, опытное подтверждение. Если на самом деле когда-то между Марсом и Юпитером существовала распавшаяся затем на куски крупная планета, то по законам небесной механики ее осколки должны обладать орбитами, плоскости которых имеют общую линию пересечения. Отсюда Ольберс сделал вывод, что не только Церера и Паллада, но и все другие еще неоткрытые малые планеты должны (каждая в свое время) проходить вблизи двух точек неба, одна из которых находится в созвездии Девы, другая — в созвездии Кита.
Предсказание Ольберса сбылось как нельзя лучше — 2 сентября 1804 г. Гардинг нашел в созвездии Кита третий астероид — Юнону, а 29 марта 1807 г. сам Ольберс в созвездии Девы открыл четвертый астероид — Весту (рис. 2).
Теперь уже у всех астрономов сложилось убеждение, что в пространстве между орбитами Марса и Юпитера обращается вокруг Солнца, по-видимому, множество небольших тел — осколков когда-то катастрофически погибшей планеты.
Жажда новых открытий охватила не только профессионалов-астрономов, но и многочисленных любителей астрономии. Во имя бескорыстного служения науке эти энтузиасты превращали чердаки своих жилищ в домашние обсерватории. На скромные средства, иногда очень замысловатым путем, они приобретали телескопы, и долгие ночи месяц за месяцем, год за годом искатели новых астероидов проводили в поисках пятой планеты. Трудолюбие их поистине изумительно, как, впрочем, и упорство, с которым они преодолевали иногда весьма значительные трудности — в первую очередь отсутствие подробных карт зодиакальных созвездий.
Вот как описывает самодельную обсерваторию почтового чиновника Карла Генке его близкий друг:
«Мы поднялись по высокой лестнице на просторный и чистый чердак домика. Я заметил только стул и стол — о башне не было и помину. На южной стороне крыши Генке вынул пять черепиц — открылась балка, и образовалось соответствующее отверстие. К балке был прикреплен деревянный желобок — наблюдатель мог поворачивать его в любую сторону. Телескоп был привязан к желобу простой бечевкой».
Другой открыватель малых планет художник Герман Гольдшмидт увидел во Флоренции портрет Галилея и сделал с него две копии. Одну из них он подарил Араго — известному французскому астроному, вторую обменял на небольшой телескоп.
Рис. 2. Размеры крупнейших астероидов в сравнении с Луной.
Несмотря на все усилия и тщательные поиски, лишь в 1845 г., после 15-летних непрерывных поисков, Генке открыл наконец пятый астероид — Астрею. Вопреки Оль-берсу, орбита Астреи не пересекалась с орбитами первых четырех малых планет, и этот факт породил первые сомнения в гипотезе о происхождении пояса астероидов при распаде одной земноподобной планеты.
С той поры начинается вереница все новых и новых открытий карликовых планет. Спустя десять лет каталог астероидов насчитывал уже 36 объектов, а к 1890 г. было открыто 302 малых планеты.
Как и во всяком деле, здесь выделились свои чемпионы: Пализа открыл 83 астероида, Шарлуа — 72, Вольф — 22. Случалось, что наблюдателю в одну ночь удавалось открыть сразу два неизвестных астероида. Так, например, дважды повезло Петерсу и трижды Пализа. В конце концов непрерывно нарастающее число открытий породило некоторые затруднения.
Следуя давно сложившейся традиции, первые астероиды назвали именами древнеримских богинь. Однако очень скоро «мифологические запасы» были исчерпаны, и уже 45-й астероид получил обычное женское имя «Евгения». Традиция по необходимости сменилась произволом. Рассматривая современные каталоги астероидов, мы встречаем наименования, свидетельствующие о немалой изобретательности их авторов. Не правда ли, забавно, что в Солнечной системе есть планеты Индустрия, Философия, Геометрия, Фотографика, Юстиция? Разумеется, использовались и географические имена: Россия, Азия, Европа, Австралия и многие другие.
Некоторые астероиды названы женскими именами, и можно смело утверждать, что многие из читательниц этой книжки найдут свое имя в каталоге астероидов. Среди них планеты Анна, Мария, Елизавета, Елена, Наталья, Ирина и другие (но отсутствуют астероиды Зоя, Зинаида, Надежда, Полина. .). Правда, редкие и наиболее замечательные из астероидов носят мужские имена, например астероиды Эрот, Гермес, Икар. Но и здесь, как правило, мужские наименования приобретают женские окончания. Вот как выглядят названия астероидов, которым присвоены искаженные фамилии известных русских ученых: Бредихина, Морозовия, Белопольския, Цераския, Штернберга. . Впрочем, в списке астероидов можно, например, встретить и такой ничем не
примечательный астероид, как Витя. Еще нескоро окажется исчерпанной фантазия первооткрывателей малых планет, и еще много странных, вычурных имен появится в будущих каталогах астероидов. Впрочем, уже сейчас присвоение имен иногда отстает от темпов новых открытий и около полутора сотен астероидов отмечены в списках пока лишь порядковым номером.
В настоящее время каждая новооткрытая малая планета поначалу получает предварительное обозначение.
Рядом с годом открытия ставится буква латинского алфавита в зависимости от той половины месяца, в котором планета была открыта. Так, например, если астероид обнаружен в первой половине января 1969 г., то он обозначается 1969 А, во второй половине января — 1969 В и т. д. Но за 15 дней может быть открыто несколько астероидов. Поэтому к указанному обозначению присоединяется еще одна буква алфавита (в последовательности открытия). Например, три астероида, открытые во второй половине января 1969 г., должны иметь такие предварительные обозначения: 1969 В, 1969 ВВ, 1969 ВС.
Кроме этой общей системы обозначений применяются и частные, даваемые обсерваторией, где состоялось открытие. Окончательное обозначение, т. е. порядковый номер и имя, астероид получает лишь после того, как для него уверенно вычислена орбита.
Вот тут и заключена главная трудность. Пока астероиды насчитывались единицами, вычисление их орбит и эфемерид (т. е. положений на небе для любых моментов времени в будущем) осуществляли энтузиасты-одиночки. Но очень скоро эта задача стала для них совершенно непосильной, и из-за незнания орбит (а следовательно, и эфемерид) открытые малые планеты были снова потеряны. Такая неприятность произошла, как уже говорилось, с Церерой. Но тогда Гаусс спас положение, а впоследствии аналогичные все учащающиеся эпизоды далеко не всегда имели благополучный исход. Примеры выглядят разочаровывающими.
За пятилетие с 1871 по 1875 г. из 47 открытых планет 45 получили окончательное обозначение. Но уже в первое пятилетие нового века (1901 — 1905 гг.) из 300 открытых малых планет было потеряно 179, а в 1936 — 1940 гг. из 1176 открытий малых планет было занесено в каталог всего 138 объектов!
Если положение нового астероида отмечено на небе один или только два раза, его можно считать безнадежно затерянным среди звездной россыпи слабосветящихся звезд. Еще в 1953 г., как отмечал И. И. Путилин, число таких астероидов превышало 3500 (т. е. почти в два с половиной раза больше окончательно занумерованных!).
С целью преодоления этих трудностей еще в 1873 г. был создан Берлинский вычислительный институт, бывший вплоть до 1945 г., по существу, центром изучения малых планет. После войны эту роль взял на себя (основанный еще в 1920 г.) Ленинградский институт теоретической астрономии (ИТА) Академии наук СССР. Эфемериды *), публикуемые ИТА, используют обсерватории всего мира. Несмотря на применение новых вычислительных методов и широкое использование вычислительных машин, проблема потери вновь открываемых астероидов остается далеко еще не решенной.
В истории изучения малых планет 1891 г. отмечен первым применением в этой области фотографии. Фотографический метод, предложенный Максом Вольфом, существенно облегчил и упростил наблюдения малых планет. Впрочем, отдельные астрономы и раньше (например, в 1886 г.) успешно применяли фотографию при отыскании утерянных астероидов.
Вольф, а за ним и другие исследователи малых планет стали систематически фотографировать эклиптикальный **) пояс неба с помощью короткофокусных светосильных фотокамер — астрографов. Укрепленные на параллактическом штативе и движимые часовым механизмом, эти камеры давали изображения крупных участков неба. Звезды на негативе получались кружочками больших или меньших размеров, а перемещающийся на их фоне астероид за время экспозиции (2 — 3 часа) прочерчивал на негативе короткую, но вполне заметную полоску. Открытие стало делом сравнительно легким, и нередко появлялся соблазн вслед за открытием одного астероида ринуться в поиски других, в другую часть неба. В результате новооткрытая малая планета фиксировалась на одном или двух снимках, что для определения точной орбиты было недостаточным.
*) Эфемеридой называется таблица, в которой указано положение небесного тела на небосводе для различных моментов времени.
**) Эклиптикой называется видимый годовой путь Солнца на фоне звезд.
Этот недостаток, однако, не остановил дальнейшее развитие фотографического метода. Уже за первое пятилетие (1891 — 1895 гг.) Вольф и Шарлуа открыли на негативах 90 новых астероидов — результат, говорящий сам за себя. Оправдала себя фотография и при поисках потерянных малых планет, поисках, иногда увенчивающихся триумфом. Ныне фотография применяется всюду, где разыскивают новые астероиды.
В настоящее время число обсерваторий, занимающихся наблюдениями малых планет, приближается к трем десяткам. Кроме ИТА есть и другие вычислительные учреждения, специализировавшиеся в этой области. В Ленинграде, Николаеве, Ташкенте, Киеве и других городах обработка наблюдений малых планет проводится в значительной мере с помощью электронно-вычислительных машин. Проводились, и небезуспешно, телевизионные наблюдения некоторых астероидов, при которых приемником их излучения, пойманного телескопом, был не глаз, а телевизионная трубка (ортикон).
Русские и советские ученые внесли заметный вклад в изучение малых планет. Еще в начале прошлого века
В. К. Вишневский в Петербурге наблюдал Цереру и Юнону. Во второй половине века на Московской и других русских обсерваториях было получено значительное количество наблюдений малых планет — их видимого блеска и положений на небосводе. В начале текущего века в Ташкентской обсерватории фотографировался астероид Эрот (для уточнения расстояния от Земли до Солнца).
С 1912 г. в только что созданной Симеизской обсерватории начались систематические наблюдения астероидов. С помощью фотографии фиксировались их положения на небе, что облегчало вычисление орбит и эфемерид. Эти исследования с успехом были продолжены и в советское время, вплоть до 1941 г. Было открыто много новых малых планет, первая из которых, обнаруженная еще в 1913 г. Г Н. Неуй-миным, получила имя «Симеиза». Среди открытых в Советском Союзе астероидов следует отметить малую планету Владилену (№ 852), названную так в честь Владимира Ильича Ленина.
Кроме Симеизской обсерватории, специализировавшейся по астероидам, малые планеты наблюдались также и почти на всех остальных советских обсерваториях, включая Пулковскую. Параллельно с наблюдениями и их обработкой
проводились во многих местах также теоретические исследования проблем, связанных с малыми планетами (например, в области теории возмущений). Был поставлен и ряд астрофизических исследований астероидов — их показателей цвета, переменности блеска и других. Наиболее крупные исследования малых планет выполнили Г. Н. Неуймин, С. И. Белявский и В. А. Альбицкий.
Список астероидов, открытых в СССР, непрерывно пополняется. Решением Международного планетного центра в 1967 г. утверждены наименования очередного десятка новых «советских» астероидов. Теперь в каталогах малых планет появились астероиды Чайка (в честь первой женщины-космонавта Валентины Николаевой-Терешковой), Волга, Украина, Дружба, Мирная и другие. Среди них астероид КРАО — таково сокращенное наименование Крымской астрофизической обсерватории. Всего в современных каталогах числится около 1700 малых планет. Для некоторых из них еще в прошлом веке придумали символические знаки, гораздо менее известные, чем символы, употребляющиеся для обозначения главных планет Солнечной системы.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МАЛЫХ ПЛАНЕТ
Для изучения малых планет используют два источника — непосредственные астрономические наблюдения и данные лабораторного исследования метеоритов. В ряде случаев сочетание этих двух подходов к проблеме значительно облегчает ее решение.
Задача астрономических наблюдений состоит прежде всего в возможно более точном определении положения астероида на звездном небе. Решая средствами современной астрометрии эту задачу, мы получаем необходимые данные для вычисления орбиты малой планеты. Результат, разумеется, никогда не бывает абсолютно точным. Причина не только в неизбежных ошибках измерительных приборов и глаза наблюдателя, но и трудностях учета возмущений, которым подвержены астероиды прежде всего со стороны Юпитера и Сатурна.
Уточнение орбит проводится методом последовательных приближений. Открыв новый астероид, стараются получить достаточное количество наблюдений для вычисления предварительной орбиты. Далее эту орбиту улучшают, используя максимальное число наблюдений, относящихся к различным частям орбиты малой планеты. При вычислении улучшенной орбиты учитывают возмущения со стороны крупных планет — по крайней мере Юпитера и Сатурна. Естественно, что эфемерида, вычисленная по предварительной орбите, расходится в большей или меньшей степени с данными новых наблюдений. Но именно величина этих расхождений и служит основой для получения точных орбит.
Определить положение астероида на небе можно двумя методами — визуальным и фотографическим. Первый из них, бывший когда-то единственным, иногда применяется и в современной практике. Суть его заключается в том, что с помощью укрепленного в главном фокусе рефрактора микрометра измеряют в данный момент времени расстояние между «опорными» звездами и астероидом, разность их координат на небесной сфере.
В поле зрения рефрактора, снабженного нитяным микрометром, наблюдатель видит опорную звезду, звездообразную малую планету и две нити — неподвижную и подвижную. Совмещая первую из них со звездой, перемещают (с помощью барабана) подвижную нить до совмещения ее с астероидом. По показаниям шкалы барабана наблюдатель находит расстояние между звездой и астероидом в угловой мере.
Заметим, что микрометр может вращаться и вокруг оптической оси рефрактора. Для этой цели он снабжен устройством, называемым позиционным кругом. По отсчетам на шкале позиционного круга наблюдатель определяет позиционный угол *) дуги большого круга, проходящего через астероид и звезду. В итоге становится известным положение астероида относительно звезды. Зная же координаты звезды, нетрудно вычислить и координаты астероида.
Визуальный метод применяется ныне как исключение. Он явно не выдерживает конкуренции с фотографическим методом, использующим ряд преимуществ фотопластинки по сравнению с глазом.
Когда в прошлом наблюдатель обнаруживал на небе незнакомую звездочку, требовалось не менее двух-трех вечеров, чтобы выяснить, каков этот объект — астероид, комета или новая звезда. Чтобы зафиксировать новый астероид, современным светосильным фотокамерам требуются какие-нибудь 10 — 20 минут.
Кроме того, на фотопластинке фиксируется большой участок неба и, если на нем окажется сразу несколько малых планет, пластинка зарегистрирует их движение с той же легкостью, как и движение одной планеты.
Каждый негатив — отличный документ. Наблюдатель может ошибиться в измерениях, и эта оценка так и останется ошибочной. К негативу можно вернуться вновь и снова повторить измерение. Небесные события фотопластинка фиксирует навсегда, и нередки случаи, когда интересные
*) Позиционным углом в данном случае называется угол между дугой большого круга, соединяющей звезду и астероид, и кругом склонения, проходящим через звезду Он отсчитывается от направления на северный полюс мира против часовой стрелки от 0° до 360°.
объекты находили на старых негативах спустя десятки лет после наблюдения.
Фотопластинка, в отличие от глаза, постепенно накапливает падающую на нее от звезд световую энергию. Ее «восприимчивость» с ростом экспозиции усиливается (конечно, до некоторого предела). Поэтому чем больше экспозиция, тем более слабосветящиеся астероиды окажутся запечатленными на негативе.
Но даже на лучших из негативов всегда возможны случайные дефекты. Иногда они очень коварны: какой-нибудь случайный штрих может быть принят за малую планету. Чтобы этого не случилось, применяют двойные астрографы — две фотокамеры, одновременно фотографирующие небо. Если подозрительный объект виден сразу на двух снимках, то это верный признак, что запечатлен небесный объект.
Для фотографических наблюдений астероидов применяют астрографы — телескопы, специально приспособленные для фотографирования неба. Астрограф снабжается часовым механизмом, который придает ему вращение в сторону, противоположную вращению Земли. Направленный на какую-либо точку неба, астрограф будет «смотреть» на нее сколь угодно долго. Свет от какой-либо звезды будет падать на одну и ту же точку пластинки, и изображение этой звезды будет выглядеть кружочком. Астероиды же перемещаются на фоне звезд, и их изображения получатся в виде черточки. Это самый старый и самый простой метод фотографирования астероидов, он называется методом Вольфа. Применяется он при фотографировании ярких астероидов.
При наблюдениях слабосветящихся малых планет часто применяют другой метод, предложенный Меткофом. Часовой механизм астрографа можно отрегулировать таким образом, чтобы астрограф смещался не вслед за звездами, а вслед за наблюдаемым астероидом (угловая скорость перемещения которого известна). Тогда на негативе астероид изобразится кружочком, а все звезды — черточками.
В методике Меткофа экспозиция может быть весьма продолжительной, а значит, накапливая энергию излучения астероида, фотопластинка может зафиксировать очень слабосветящиеся объекты. Когда же используется метод Вольфа, изображение астероида растягивается в полоску, для слабосветящихся астероидов просто незаметную.
Оригинален метод, предложенный известным советским астрономом С. Н. Блажко. На одной и той же пластинке получают три экспозиции с перерывом в 5 — 10 минут. Всякий раз перед новой экспозицией фотопластинка чуть-чуть (например, на одну минуту дуги) смещается по склонению. Нетрудно сообразить, что получится на негативе. Каждая звезда даст три изображения, причем все эти
Рис. 4. Снимок астероида Геба, полученный по методу С. Н. Блажко.
изображения растянуты в параллельные друг другу «цепочки» (рис. 4). Что же касается астероида, то он тоже даст три изображения, но благодаря движению астероида относительно звезд «цепочка» изображений малой планеты выделится своим необычным наклоном по отношению ко всем остальным «звездным цепочкам».
Как уже говорилось, астероиды — объекты, недоступные невооруженному глазу. Самый яркий из астероидов — Веста. В наиболее благоприятные моменты, т. е. при макси-
мальном сближении с Землей, эта малая планета имеет блеск звезды 6,5-й звездной величины (6ОТ,5) и ее можно наблюдать в бинокль. Лишь немногим уступают ей в блеске Церера (7ОТ,4), Паллада (8^,0), Юнона (8ОТ,7). Большинство же астероидов — это объекты 13 — 14-й звездной величины, доступные лишь телескопам средних размеров.
Самым подходящим астрографом для фотографирования малых планет будет светосильный и в то же время достаточно длиннофокусный астрограф. Светосила *) обеспечивает яркость изображения. Чем больше диаметр объектива (при одном и том же фокусном расстоянии), тем большей проницающей способностью обладает астрограф, т. е. тем более слабые объекты оставят свои изображения на негативе. С другой стороны, линейные размеры изображения тем больше, чем больше фокусное расстояние объектива. По этой причине на снимках с длиннофокусным астрографом заметить смещение астероида легче, чем на снимках с короткофокусной фотокамерой. На рис. 5 изображен двойной астрограф обсерватории в Гейдельберге (Германия), на котором еще в 1891 г. были проведены первые фотографические наблюдения астероидов.
Итак, представьте себе, что снимок сделан и негатив попал в лабораторию. Сначала он подвергается предварительной обработке, цель которой — выявить все изображения зафиксированных на нем малых планет. Сделать это можно по-разному, например внимательно рассматривая пластинку в небольшой, слабоувеличивающий микроскоп.
Если есть два негатива одного и того же участка неба, снятые в близкие между собою моменты времени, применяют обычно стереокомпаратор или блинк-компаратор.
Принцип действия первого из этих приборов достаточно прост. Участок звездного неба на двух разновременно полученных негативах выглядит одинаково — разница будет лишь в положениях зафиксированного на пластинках астероида. Если с помощью стереомикроскопа, основной части стереокомпаратора, совместить оптические изображения двух негативов, то изображения звезд при этом сольются, а малая планета благодаря стереоэффекту покажется исследователю как бы висящей в пространстве.
*) Светосилой линзы (или системы линз) называется квадрат отношения ее диаметра к фокусному расстоянию.
В блинк-компараторе специальный блинк-микроскоп сводит два изображения негативов в один окуляр. Особая движущаяся заслонка позволяет видеть то одну, то другую пластинку. Приведя заслонку в быстрое движение, мы получаем любопытный эффект: изображение астероида будет прыгать в поле зрения, тогда как изображения звезд останутся неподвижными.
Обнаружив неизвестную малую планету, отмечают ее положение среди звезд на крупномасштабной звездной карте, определяют приближенно ее координаты и оповещают Ленинградский институт теоретической астрономии о сделанном открытии. Публикации об этом событии производятся в «Астрономическом циркуляре», издаваемом Академией наук СССР, и в циркулярах обсерватории в Цинциннати (США).
Дальнейшая точная обработка фотографий малых планет заключается в возможно более тщательных измерениях положения астероида на негативе относительно известных звезд. Для этой цели применяются специальные высокоточные измерительные приборы. При всех конструктивных различиях назначение приборов одинаково — измерить как можно точнее положение астероида на негативе, а затем определить его координаты на небосводе.
Астрофизические наблюдения малых планет (не считая оценок их видимого блеска) до сих пор остаются редкими, случайными, не подчиненными какой-либо единой программе. Между тем именно наблюдения отражательной способности, цвета, спектра астероидов особенно ценны для раскрытия их физических свойств, без чего невозможно выяснить связь этих тел с другими телами Солнечной системы, решить проблему их происхождения.
Даже оценки видимого блеска астероидов могут стать источником весьма ценной информации. Так как астероиды в бинокль внешне неотличимы от звезд, простейшее определение их видимого блеска делается так же, как и для переменных звезд.
Такие наблюдения доступны каждому любителю астрономии, вооруженному биноклем или телескопом. При достаточном навыке наблюдателя они имеют определенную научную ценность. Более точные измерения блеска астероидов выполняются с помощью специальных фотометров, таких же, какими пользуются и исследователи переменных звезд.
Блеск астероидов непостоянен. Зависит он не только от расстояния до Земли, но и от других причин, например от вращения астероида и его осколочной формы.
При визуальных наблюдениях в телескоп глаз не различает разницы в окраске астероидов. Между тем оценить такую важную физическую характеристику, как цвет малой планеты, можно с помощью фотографии (рис. 6).
Как известно, глаз наиболее чувствителен к желтым и зеленым лучам, а фотопластинка — к синим и фиолетовым.
Отсюда следует, что оценки блеска звезд по визуальным и по фотографическим наблюдениям, вообще говоря, получатся разными. Например, «фотографическая» звездная величина красных звезд всегда меньше их «визуальной» звездной величины. Для голубых звезд эффект будет обратным.
Рис. 6. Фотография следа астероида.
Разность между фотографической и визуальной звездными величинами называется показателем цвета данного светила (подробнее см. на стр. 50). Для белых объектов показатель цвета близок к нулю, для голубых он отрицателен, для желтых, оранжевых и красных — положителен. Показатели цвета астероидов существенно различны, и это обстоятельство несомненно связано с их физической природой — составом, строением.
Еще более ценную информацию в этом вопросе дают спектральные наблюдения. Начаты они были еще Фогелем в 1874 г., но впоследствии проводились эпизодически, от случая к случаю. Причина этого — отчасти в широко рас-
пространенном среди неспециалистов ошибочном убеждении, что спектры всех астероидов представляют собою ослабленные копии солнечного спектра. На самом деле это не так. Малые планеты в ряде случаев вовсе не являются простыми отражателями. В спектре Весты еще Фогель обнаружил загадочные яркие линии излучения. Случай этот, правда, исключителен, но и у многих других малых планет наблюдаются иные, не всегда понятные и до конца не разгаданные особенности спектров, о чем будет рассказано ниже. Спектральные наблюдения астероидов безусловно заслуживают широкого внедрения и развития — может быть, именно они в ряде проблем окажутся решающими.
Совершенно новыми и по форме и по существу станут в недалеком будущем «космонавтические» наблюдения астероидов. Космические летательные аппараты, запущенные в область астероидного кольца, могли бы сообщить на Землю ценную информацию. Например, космические аппараты «Марс-1» и «Маринер-4» при полете к Марсу пересекли орбиты и зарегистрировали существование метеорных потоков, ранее неизвестных. В более отдаленном будущем мыслима даже высадка на крупнейшие из астероидов экипажа космического корабля.
ДВИЖЕНИЕ И ОРБИТЫ АСТЕРОИДОВ
Видимые перемещения астероидов на небосводе, как и крупных планет, вызваны двумя причинами — истинным движением в пространстве малой планеты и орбитальным движением Земли. Сочетание этих двух движений, как известно, приводит к тому, что планеты описывают на небе замысловатые петли. Их прямое движение — с запада на восток — иногда сменяется попятным, и наоборот. Петлеобразные перемещения планет наблюдаются в периоды их противостояний.
В большинстве случаев видимые движения астероидов мало чем отличаются от видимых движений, скажем, Марса или Юпитера. Есть, однако, и любопытные исключения. В тех случаях, когда плоскость орбиты малой планеты наклонена под значительным углом к плоскости земной орбиты, видимое движение астероида может быть весьма своеобразным. Таков, например, видимый путь на небе астероида Ганимед. Как правило, эта малая планета может удаляться на десятки градусов от эклиптики, а в отдельных случаях Ганимед подходил близко даже к полюсу эклиптики — поведение, невозможное для крупных планет.
Как уже говорилось, метод Гаусса позволяет по трем наблюдениям вычислить орбиту небесного тела, в частности малой планеты. Поясним главную идею этого метода.
Всякая эллиптическая орбита характеризуется шестью величинами, называемыми ее элементами. Положение плоскости орбиты планеты фиксируется двумя углами: наклонением орбиты г, т. е. углом, который образует плоскость орбиты планеты с плоскостью земной орбиты, и долготой восходящего узла Q, т. е. углом между направлением из центра Солнца на точку весеннего равноденствия у (ту точку неба, где Солнце бывает около 21 марта) и линией пересечения плоскостей земной и планетной орбит.
Форма и размеры планетной орбиты зависят от двух других элементов — большой полуоси а и эксцентриситета е. Положение же орбиты в ее плоскости можно найти, зная расстояние перигелия от узла — угол со, который образует линия пересечения земной и планетной орбит с направлением от центра Солнца на перигелий *) планетной орбиты. Наконец, положение планеты на ее орбите можно узнать, если известен момент прохождения планеты через перигелий
Каждое наблюдение астероида дает его угловые координаты на небе. Можно составить три уравнения, связывающие эти координаты с элементами орбиты планеты. Однако в эти уравнения неизбежно войдет еще одно неизвестное — расстояние планеты от Земли. Следовательно, одно наблюдение даст три уравнения с семью неизвестными. Для второго наблюдения появится еще одно неизвестное — новое расстояние между астероидом и Землей. Значит, в итоге получим шесть уравнений с восемью неизвестными. Наконец, после третьего наблюдения получим девять уравнений с девятью неизвестными, т. е. систему, допускающую единственное решение.
Такова принципиальная сторона метода Гаусса. Хотя предпринимались многочисленные попытки улучшить метод Гаусса, все они ограничивались лишь улучшением деталей, основа же метода сохранилась доныне.
*) Перигелий — ближайшая к Солнцу точка орбиты, афелий — наиболее удаленная от Солнца ее точка.
Если отвлечься от реальной, весьма сложной обстановки и считать, что на астероид действует только притяжение Солнца, то орбита астероида в любом случае, как это доказал еще Исаак Ньютон, будет коническим сечением — эллипсом, гиперболой или параболой. На самом же деле на движение астероида оказывают существенное влияние притяжение Юпитера, Сатурна и других планет. Поэтому орбита, определенная по методу Гаусса, есть, в сущности, лишь первое приближение к истинной форме планетной орбиты. Дальнейшее улучшение орбиты заключается в учете возмущений со стороны возможно большего числа крупных планет. Естественно, что для этого требуются длинные, многолетние и высококачественные ряды наблюдений.
В этой области есть своеобразные рекорды. Например, элементы орбиты Юноны определены с учетом возмущений от всех больших планет (исключая Плутон). Для крупнейшего из астероидов Цереры орбита найдена с учетом возмущений со стороны Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна. Получены значительно улучшенные орбиты и для многих других малых планет.
Каковы же особенности орбит малых планет? Как можно представить себе в общих чертах строение астероидного пояса или кольца (рис. 7)?
За редкими исключениями, орбиты астероидов расположены между орбитами Марса и Юпитера. Более того, около 97% малых планет обладают большими полуосями орбит, заключенными в еще более узких пределах — от 2,17 до 3,64 а. е. (напомним, что большие полуоси орбит Марса и Юпитера близки к 1,5 и 5,2 а. е. соответственно).
Эллиптические орбиты астероидов имеют различную вытянутость, разные эксцентриситеты *). Примерно 98,7% орбит известных астероидов обладают эксцентриситетами, меньшими 0,33. Среднее же значение эксцентриситета для всех найденных орбит составляет 0,15. Следовательно, хотя орбиты астероидов более вытянуты, нежели орбиты крупных планет, все же большинство астероидов обращается по орбитам, мало отличающимся от круговых. Примечательно, что чем мельче астероид, тем более вытянута его орбита — закономерность, к которой мы еще обратимся в дальнейшем.
*) Эксцентриситетом эллипса называется отношение расстояния между его фокусами к длине большой оси. Чем больше эллипс вытянут, тем больше его эксцентриситет.
Все крупные планеты, как известно, движутся почти в одной плоскости. Лишь у Меркурия и Плутона наклонения i орбит равны 7 и 17° соответственно.
Орбиты астероидов в этом отношении обладают интересными особенностями. Даже среднее значение наклонений Юпитер и троянцу их орбит превосходит 9°. В отдельных же случаях, как, например, для астероида Гидальго (рис. 8), наклонение достигает 42°. Даже у такого крупного астероида, как Паллада, наклонение орбиты близко к 35° Отсюда можно сделать вывод, что кольцо астероидов «сплющено» к одной плоскости в гораздо меньшей степени, чем орбиты крупных планет.
Орбиты астероидов распределены в пространстве неравномерно. Астероидный пояс отнюдь не сплошной. В нем наблюдаются просветы, люки, на существование которых впервые обратил внимание Д. Кирквуд в 1866 г. Люки расположены во вполне определенных областях межпланетного пространства, и именно там, где выполняются условия так называемой соизмеримости.
Пусть п — среднее суточное движение малой планеты. Эта величина определяется формулой
где а — большая полуось орбиты астероида, a k" — некоторая постоянная, выраженная в секундах дуги. Соизмеримостью называется отношение средних движений возмущающей планеты и астероида, выражаемое простой дробью. Иначе говоря, если — среднее движение, например, Юпитера, а п — среднее движение астероида, то в случае соизмеримости n1ln=plq, где в правой части равенства стоит отношение двух взаимно простых чисел.
Как правило, люки в кольце астероидов встречаются именно в тех местах, где (для соответствующих а) соблюдаются соизмеримости суточных движений астероидов и Юпитера или Марса. Можно доказать, что именно в таких областях пространства возмущения становятся очень сильными и эти возмущения в конце концов выводят астероид в более «спокойные» зоны. Наблюдения показывают, что в тех частях кольца астероидов, где соизмеримости с Юпитером равны, например, 1/2, 1/3, 2/7, 5/11 и т. п., имеются достаточно обширные и заметные люки. Есть и один люк, порожденный Марсом. Он соответствует соизмеримости 2/1. В зоне астероидов можно выделить 7 колец, разделенных заметными люками.
Не для всех соизмеримостей, однако, есть люки. С увеличением числа открываемых астероидов ряд люков постепенно заполняется. С другой стороны, при некоторых соизмеримостях с Юпитером (например 2/3) наблюдаются не люки, а, наоборот, сгущения астероидных орбит.
Наиболее полное изучение люков провел известный японский исследователь астероидов К. Хираяма. Предположив, что астероиды движутся в некоторой сопротивляющейся среде (облака мелких осколков непрерывно дробящихся астероидов), Хираяма сумел теоретически объяснить существование как люков, так и сгущений.
Среди свыше полутора тысяч известных в настоящее время астероидов иногда встречаются пары с почти одинаковыми элементами орбит. Таковы астероиды Ингрида и Азалия, Лобелия и Капанула, Юнона и Клото.
Некоторые группы астероидов с близкими элементами орбит более многочисленны. Группа троянцев, замечательных астероидов, обращающихся вокруг Солнца почти по орбите Юпитера (подробно о них речь пойдет ниже), состоит из 15 малых планет.
Интересна тесная группа астероидов типа Гильды. Она включает в себя 19 малых планет, имеющих почти одинаковые орбиты и с внешней стороны как бы окаймляющих пояс астероидов.
Хираяма ввел понятие «семейство астероидов» — совокупность малых планет, имеющих общее происхождение. Для выделения таких семейств Хираяма использовал так называемые собственные элементы орбит, т. е. такие элементы, величина которых не меняется во время движения астероида независимо от возмущений со стороны других планет. Если астероиды принадлежат к одному семейству, то они должны иметь и одинаковые собственные элементы.
Поясним идею Хираяма на несколько упрощенном примере. Представьте себе, что крупный астероид распался на ряд осколков (например, при столкновении с другим астероидом). В этом случае орбиты осколков будут отличаться одним примечательным свойством: все они будут проходить
через точку разрыва астероида, образуя некую связку эллипсов. По этому признаку можно сделать вывод, что нынешние осколки когда-то составляли единое целое.
В действительности все, конечно, сложнее. Возмущения со стороны Юпитера и других планет в конце концов разрушают связки орбит, следы катастрофического распада крупного тела на мелкие осколки со временем «рассасываются», затушевываются, становятся неуловимыми.
Тем не менее Хир^яма удалось уверенно выделить пять семейств астероидов с почти одинаковыми собственными элементами. Впоследствии, в 1925 г., советская исследовательница Н. М. Штауде выделила еще 15, правда, менее определенно выраженных семейств.
Г Ф. Султанов и другие исследователи предприняли успешные попытки выделения семейств малых планет не по сходству собственных элементов, а по другим параметрам. Результаты оказались сходными с теми, какие получил Хираяма.
Из всего этого можно сделать вывод, что группы и семейства астероидов — это, по-видимому, продукты распада некоторых более крупных родоначальных тел. Количество астероидов в настоящую эпоху так велико, что столкновения между ними не только возможны, но, по-видимому, происходят постоянно, на протяжении всей эволюции астероидного кольца. Не будет преувеличением утверждение, что зона астероидов — это зона непрерывного механического распада, деградации небесных тел. Взаимные столкновения астероидов приводят к их измельчанию, к накоплению в кольце астероидов пылевой сопротивляющейся среды — мельчайших осколков непрерывно разрушающихся астероидов.
ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ АСТЕРОИДЫ
Исключения, как известно, не только подтверждают правило, но и обращают на себя внимание. Те из астероидов, которые имеют необычные орбиты, т. е. выделяются по этому признаку среди подавляющего большинства малых планет, считаются замечательными (термин, не претендующий, разумеется, на какую-либо официальность). Мы познакомим читателя лишь с некоторым из замечательных астероидов.
Троянцы
Допустим, что в некоторый момент времени известны положения трех тел в пространстве и их начальные скорости. Тела будем считать материальными точками, т. е. размерами этих тел пренебрежем по сравнению с расстояниями между ними. Считая, что между этими тремя материальными точками существует взаимное тяготение, найдем траектории, скорости и ускорения всех трех тел для любого момента времени.
Сформулированная в такой форме задача получила в небесной механике наименование задачи трех тел. В 1912 г. К. Сундман, выдающийся финский математик, решил эту задачу в общем виде. Однако его решение представляет лишь чисто теоретический интерес. Координаты трех тел в решении Сундмана представлены в виде рядов («бесконечных сумм»), очень сложных и трудных для вычисления. Например, чтобы вычислить координаты тел на два месяца вперед с точностью всего 10% (причем для простоты массы трех тел и взаимные расстояния между ними считаются равными), необходимо взять число членов ряда, больше Ю80000.
Точное и сравнительно простое решение задача трех тел имеет лишь в некоторых частных случаях, рассмотренных знаменитым французским математиком Ж. Лагранжем еще в конце XVIII в.
Представим себе, что одно тело обращается вокруг второго по окружности. Как доказал Лагранж, существуют такие положения третьего тела, при которых взаимное расположение всех трех тел в процессе движения остается неизменным.
Пусть первым телом будет Солнце, вторым — планета, обращающаяся вокруг Солнца по круговой орбите. Точки, в которых третье тело сохранит взаимное расположение по отношению к двум другим телам, называются либра-ционными точками. Первые три из них, так называемые коллинеарные либрационные точки Ьъ L2, L3, расположены на прямой, проходящей через Солнце и планету. Их расположение на этой прямой, разумеется, зависит от масс первых двух тел и расстояния между ними. Если поместить в любую из этих точек третье тело, вся система из трех тел будет вращаться как единое тело (совсем так, как если бы вы стали вращать рисунок вокруг точки). Исследования, однако, показывают, что положение третьего тела в коллинеарных либрационных точках неустойчиво. Если это тело даже чуть-чуть, на как угодно малое расстояние отойдет от коллинеарных либрационных точек, назад оно уже не возвратится, а навсегда покинет эту область пространства. Не удивительно поэтому, что такой «случай Лагранжа» в природе не осущест вляется.
Несравненно больший практический интерес представляют треугольные либрационные точки L4 и L5. Они образуют с Солнцем и планетой вершины двух равносторонних треугольников, поворачивающихся во время движения как единое целое. Замечательно, что движение вблизи этих точек устойчиво, что было подробно обосновано в работе В. И. Арнольда *) и других исследователей. Иначе говоря, выведенное из треугольных либрационных точек, третье тело при определенных начальных условиях (например, не чрезмерно большой скорости) может снова вернуться в исходное положение.
Еще в 1907 г. был открыт астероид Ахилл (или Ахиллес, номер 588), совершавший обращение вокруг Солнца почти по орбите Юпитера. Точнее, он постоянно находился вблизи точки L4 в системе Солнце — Юпитер. Позже открыли и другие малые планеты, демонстрирующие воплощение в природе одного из «случаев Лагранжа». Всем им присваивали имена героев Троянской войны, и потому в астрономической литературе эти замечательные астероиды называют троянцами (рис. 9).
Их известно пятнадцать. Десять из них (Ахилл, Гектор, Нестор, Агамемнон, Одиссей и др.) движутся впереди Юпитера, опережая его по долготе на 60°. Пять остальных (Патрокл, Приам, Эней, Анхиз, Троил) следуют за Юпитером, оставаясь по соседству с точкой L6. Собственно, первые десять из указанных астероидов носят имена героев греческого войска и потому их иногда называют «греками» (в отличие от настоящих «троянцев», следующих за Юпитером). Впрочем, это забавное разделение не является общепринятым.
Ни один из троянцев не находится в точности в какой-либо из треугольных либрационных точек. С другой стороны, орбита Юпитера не идеальная окружность, а эллипс с эксцентриситетом, равным 0,05. Сочетание этих двух причин
*) «Успехи математических наук», т. 18, вып. 6, 1963.
приводит к тому, что каждый из троянцев совершает вокруг либрационных точек L4 и Lb сложные периодические движения, одновременно обращаясь при этом и вокруг Солнца. Некоторые из троянцев иногда уходят от либрационных точек весьма далеко, например, Анхиз до 28°, а Диомед даже до 40° (по долготе)! Да и минимальное расстояние троянцев от либрационных точек никогда не бывает меньше 5°
Троянцы — астероиды крупные. Самый большой из них — Патрокл, имеющий в поперечнике 272 км. Немногим уступает ему Гектор (поперечник 216 /сж), у восьми других троянцев поперечники превосходят 100 км.
Рис. 9. Группы астероидов-троянцев.
Любопытно, что троянцы не единственная природная иллюстрация частного случая задачи трех тел. В 1959 г. польский астроном Кордылевский обнаружил вблизи треугольных точек либрации системы Земля — Луна обширные облака мелкой космической пыли. Лишь в очень прозрачные темные ночи и при благоприятном расположении Луны эти облака Кордылевского можно обнаружить как размытые слабосветящиеся пятна. Очевидно, в роли троянцев здесь выступают мириады мелких частичек межпланетной космической пыли, захваченных на устойчивые орбиты совместным притяжением Земли и Луны.
Еще задолго до открытия троянцев, 13 августа 1898 г., на Берлинской обсерватории обнаружили необычный астероид. Судя по негативу, за сутки эта малая планета проходила на небосводе путь, равный видимому поперечнику Луны. Мы теперь знаем примеры гораздо более удивительные, но в конце прошлого века случай казался из ряда вон выходящим.
Когда вычислили орбиту Эрота (как наименовали необычный астероид), оказалось, что большая ее часть расположена внутри орбиты Марса. Перигелийное расстояние получилось равным 1,13 а. е., афелийное — 1,78 а. е. а наклонение орбиты — близким к 11°
Наиболее поразительным казалось то, что в периоды максимальных сближений Эрота с Землей расстояние между этими небесными телами сокращается до 23 300 000 км. Иначе говоря, Эрот оказался тогда после Луны самым близким к Земле небесным телом.
«Год» Эрота продолжается 1,76 земного года. Можно подсчитать, что великие противостояния Эрота (т. е.наибольшие сближения его с Землей) повторяются через 37 и 44 года. Когда одно из них наступило в 1931 г., Эрот подошел к Земле на расстояние 26 млн. км — событие не только любопытное, но и полезное. Поясним подробнее, что мы имеем в виду.
Как известно, относительные расстояния планет от Солнца (т. е. отношения больших полуосей планетных орбит к большой полуоси орбиты Земли) можно получить непосредственно из наблюдений. Представьте себе, например, противостояние Марса. Оно наступает тогда, когда Марс кульминирует в местную полночь — факт, получаемый из наблюдений. Через месяц взаимное расположение Солнца, Земли и Марса изменится. Вместо того, чтобы располагаться на одной прямой, они теперь образуют вершины некоторого треугольника. В нем угол при Солнце известен — он равен разности дуг, пройденных Землей и Марсом по их орбитам (будем считать их для простоты круговыми). Дуги же легко определяются по периодам обращения Земли и планет, получаемым из наблюдений.
Угол при Земле между направлением на Солнце и направлением на Марс называется элонгацией, и его находят по положениям Солнца и Марса на небе. Таким образом, в рассматриваемом треугольнике известны все углы*), а значит (по теореме синусов), можно найти и отношение радиусов орбит Земли и Марса:
Факт этот весьма примечателен. Он объясняет, как Кеплер мог сформулировать свой третий закон движения планет, связывающий расстояния планет от Солнца с их периодами обращения, не зная самих этих расстояний. Все дело в том, что в третьем законе Кеплера
(квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы их расстояний от него) фигурируют не абсолютные расстояния планет (они были измерены впервые в XIX в.), а лишь отношение этих расстояний. Значит, Кеплеру были известны, так сказать, пропорции планетных орбит и он мог правильно изобразить их на чертеже, не указывая, однако, масштаба.
Отсюда следует, что если для любой планеты удастся измерить ее расстояние до Солнца, «единица масштаба» будет найдена, и все остальные расстояния в Солнечной системе получатся в итоге несложных вычислений.
Сближение Эрота с Землей — прекрасный случай для решения такой задачи. Наблюдая Эрот из разных, достаточно далеких друг от друга обсерваторий в один и тот же момент времени, можно измерить его кажущееся смещение на фоне звездного неба. Звездообразность Эрота будет способствовать высокой точности измерений. Определив же расстояние Эрота от Земли, можно уточнить величину астрономической единицы — среднего расстояния от Земли до Солнца, главной «единицы масштаба» в астрономии.
Эрот был первой из малых планет, наблюдения которой существенно уточнили величину астрономической единицы. В дальнейшем для этой цели использовали и другие, близко проходившие от Земли астероиды. В настоящее время все эти способы устарели и уступили место радиолокационным методам определения расстояний от планет.
*) Вершина треугольника, совпадающая с Солнцем, обозначена буквой С, с Землей — 3, с Марсом — М.
Эрот обратил на себя внимание также необычными колебаниями блеска. Впервые замеченные еще в 1901 г., эти колебания были изучены рядом астрономов. Судя по всему, они связаны с физической природой Эрота, не вполне ясными пока особенностями его формы и строения.
Ганимед и его группа
Астероид, получивший наименование Ганимед*), был впервые обнаружен 23 октября 1924 г. на обсерватории в Бергердорфе. Значительный видимый блеск при открытии
(9,5-й зв. величины), необычно быстрое видимое движение выделяли эту малую планету среди остальных. Почти уникальным было и направление движения — прямое, с востока на запад, в отличие от попятного движения, которым обладает большинство астероидов. По своему эксцентри-
*) Наименование Ганимед носит также крупнейший из спутников Юпитера.
ситету (0,542) и наклонению (около 26°) орбита Ганимеда напоминала орбиту короткопериодической кометы (рис. 10).
Известны еще два астероида — Альберт и Алинда, — орбиты которых обладают сходными характеристиками. Примечательно, что они могут сравнительно близко подходить к Земле, например, в 1924 г. минимальная дистанция между Ганимедом и Землей составила 0,5 а. е. Впрочем, в этом отношении есть астероиды еще более замечательные. Главная особенность малых планет типа Ганимеда — их весьма вытянутые, «кометообразные» орбиты.
Гидальго
Этот уникальный астероид, открытый в октябре 1920 г., обладает двумя исключительными особенностями: большая полуось его орбиты — 5,8 а. е., а наклонение орбиты — около 42° Иначе говоря, по сравнению с остальными малыми планетами астероид Гидальго обращается вокруг Солнца по самой крупной и самой «наклоненной» к эклиптике орбите. Если бы этот угол наклонения был близок к нулю, то Гидальго в афелии подходил бы к Сатурну — из-за большого эксцентриситета (0,66) расстояние Гидальго от Солнца меняется от 1,9 до 9,7 а. е.! Однако благодаря значительному наклонению орбиты минимальное расстояние Гидальго от Сатурна никогда не бывает меньше 5,7 а. е. Любопытно, что «год» Гидальго равен 13,7 земного года — другого такого случая среди астероидов мы не знаем.
Подсчитано, что около 1130 г. Гидальго проходил очень близко от Юпитера, который своим могучим притяжением резко изменил первоначальную орбиту. Впрочем, какова была последняя, в деталях не выяснено.
Амур, Аполлон, Адонис и Гермес
Все эти малые планеты объединяет одна особенность: в своем полете вокруг Солнца они могут иногда очень близко подходить к орбите Земли. Именно это обстоятельство и привело к открытию Амура, Аполлона, Адониса и Гермеса — на больших расстояниях эти планетки с поперечниками порядка 1 — 2 км попросту остались бы незамеченными.
Амур и Аполлон были открыты в 1932 г., Адонис — в 1936 г., Гермес — в 1937 г. Из этой группы последний астероид, пожалуй, наиболее замечателен.
В часы открытия он почти «летел» по небу — за сутки Гермес переместился на 90° по прямому восхождению, описав четверть небосвода!
Большая полуось орбиты Гермеса (1,3 а. е.) мало отличается от астрономической единицы, и в моменты наиболее тесных сближений с Землей расстояние между Гермесом и нашей планетой может сокращаться до 580 тыс. км.
К сожалению, из-за незнания точных орбит Гермес, Адонис и Аполлон должны считаться безвозвратно потерянными. Лишь очередные встречи с Амуром могут быть заранее предсказаны, и эта малая планета неоднократно наблюдалась в периоды своих оппозиций. К сожалению, минимальное расстояние до Амура никогда не становится меньше 16 млн. км.
Икар
Этот астероид вполне можно отнести к предыдущей группе. Однако его особенности настолько уникальны, что об Икаре стоит рассказать особо.
Икар был открыт 26 июня 1949 г. на обсерватории Маунт Паломар (США). Почти во всех отношениях его орбита оказалась исключительной: эксцентриситет 0,83, наклонение 23°, большая полуось 1,08 а. е. (рис. И).
Обращаясь вокруг Солнца с периодом, близким к году (409 суток), Икар в перигелии подходит к Солнцу на расстояние 28 млн. км, т. е. на 30 млн. км ближе, чем Меркурий. При этом поверхность Икара должна накаляться до температуры в 500 СС, между тем как в афелии, уходя за орбиту Марса, Икар сильно охлаждается.
Вряд ли эти значительные колебания температуры не сказываются на физическом строении Икара. Скорее можно думать, что физическая природа этой малой планеты сильно отличается от природы других астероидов.
Икар очень мал — вряд ли его поперечник превышает километр, и только близость к Земле в определенные моменты привела к тому, что его заметили. При наиболее благоприятных для наблюдений сближениях расстояние между Икаром и Землей сокращается до 6 — 7 млн. км.
После своего открытия Икар наблюдался во время многих противостояний. Поэтому его орбита известна достаточно хорошо и прогнозам о встречах Икара с Землей можно вполне верить.
В июне 1968 г. произошло очередное сближение Икара с Землей. 14 июня расстояние между ними сократилось до 6,4 млн. км. В этот день Икар казался звездочкой 11-й зв. величины, заметно движущейся со скоростью около градуса и час от Полярной звезды в сторону созвездия Волопаса. Икар удалось сфотографировать на нескольких советских обсерваториях (рис. 12). Любопытно, что еще 12 июня на
Крымской астрофизической обсерватории Икар был сфотографирован с помощью телевизионной системы, соединенной с 2,6-метровым рефлектором. Нелепые слухи, распространившиеся несколько лет назад о столкновении Икара с Землей в 1968 г. и о катастрофических последствиях такого столкновения, как и следовало ожидать, не оправдались.
Для астрономии Икар интересен во многих отношениях. В частности, его сближения с Меркурием позволяют уточнить массу последнего. По движению в пространстве перигелия орбиты Икара можно проверить один из эффектов теории
относительности. Наконец, не исключено, что в будущем к этой замечательной малой планете удастся запустить автоматическую межпланетную станцию. Наблюдения вблизи (не говоря уже о посадке) могут значительно обогатить наши пока еще очень скудные сведения о физической природе астероидов.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
