╥хъёЄ ЁхЇхЁрЄр: ёЄЁрэшЎр 3
и назвал их собственными элементами орбиты, т. е.унаследованными астероидами от их "родителей". Конечно, при дробленииастероидов их обломки, получив разные, о малые добавки к орбитальнойскорости, движутся по разным орбитам со слегка различными собственнымиэлементами. Однако эти различия не настолько велики, чтобы помешатьузнать члены семейства. Вообще говоря, собственные элементы представляют собой кепле-ровы элементы орбит астероидов, исправленные за вековые возмущения. Утипичных орбит собственные наклоны и эксцентриситеты почти не подвер-жены вековым изменениям, и можно считать, что они оставались неизмен-ными на протяжении миллиарда лет. Что касается долготы перигелия идолготы узла, то они меняются значительно быстрее. Сосбтвенная долготаперигелия очень медленно (со скоростью от десятков секунды до десятковминут дуги в год), но непрерывно растет, а собственная долгота узлаубывает с той же скоростью. для тел в кольце астероидов периоды обра-щения перигелия и восходящего узла орбит вокруг Солнца порядканескольких тысяч лет. Они возрастают с уменьшением размеров орбит. Таким образом, астероиды долго "помнят" лишь наклон орбиты иее эксцентриситет, но быстро "забывают" свой узел и перигелий. Хираяма решил воспользоваться собственным наклоном и эксцент-риситетом орбит для поисков семейств. Сначала, чтобы упростить расче-ты, он учитывал только возмущения от Юпитера, пренебрегая более слабымвлиянием Сатурна и остальных планет. Ему удалось выявить три семейства(семейства Фемиды, Эос и Корониды, названные по одному из членов се-мейств), а затем еще четыре и, менее уверенно, еще шесть. Но скоро Хи-раяме стало ясно, что учитывать воздействие Сатурна и других планетвсе же необходимо. Сатурн, например, оказывал заметное воздействие наастероиды с малым средним суточным движением. Сделав это, Хираяма при-ешл к выводу о существовании пяти семкйств - Фемиды, Эос, Корониды,Марии и Флоры. К этим семействам он в 1923 г. отнес десятки известныхастероидов. В дальнейшем они были пополнены астероидами, открытымипозднее. Самым многочисленным оказалось семейство Флоры. Д. Бауэр, наосновании уточненной им теории возмущений, разделил его на четыре от-дельных семейства - I, II, III ии IV. К 70-м годам стало ясно, что "семейственность" широко расп-ространена среди астероидов : из 1697 нумерованных к этому времениастероидов 712 (или 42 %) были отнесены к 37 семействам. Они еще "пом-нят" орбиту родительского тела. Аналогичной оказалась ситуация у болеемелких астероидов Паломар-Лейденского обозоения : из 980 новых астеро-идов 389 (40 %) вошли в то или иное семейство, уже известное или но-вое. Семейство обнаруживает себя как область повышенной концентра-ции точек на распределениях собственных элементов орбит. Границы се-мейств проводятся не всегда уверенно, и отнесение астероида к тому илииному семейству иногда остается сомнительным. К тому же, когда разныеисследователи учитывают возмущения от планет с разной степенью точ-ности и отбирают члены семейства, пользуясь слегка разными критериями,они получают немного разные результаты. Однако эти различия не принци-пиальны и не позволяют сомневаться в самом существовании семействен-ности у астероидов. Японский исследователь И. Козаи к концу 70-х годовсреди 2125 нумерованных астероидов около 3/4 отнес к 72 семействам.Американские исследователи Дж. Градье, К. Чепмен и Дж. Вильямс полага-ют, что число семейств превышает 100. Однако приходится быть внима-тельным, чтобы не принять за семейство случайную группу точек. Долгоевремя считали, что существует семейство Венгрии (a=1,8 a. e. ) и Фокен(a=2,4 a. e. ) на орбитах большого наклона (собственное наклонение20-25O). Однако в действительности это лишь группы случайных астерои-дов, изолированные от остальной части кольца пустыми зонами вековыхрезонансов (рис. 26). Астероиды в них не связаны общностью происхожде-ния точно так же, как члены групп Гильды, Аполлона, Амура или Атона.Они имеют лишь сходную динамическую эволюцию орбит. Пока не ясно, существует ли семейство Паллады, или мы снова,как в случае с Венгрией и Фокеей, имеем дело с группой астероидов,изолированной вековыми резонансами. Многие семейства насчитывают десятки и сотни известных членов.Предполагают, что истинное число членов семейств на один - два порядкабольше. В конце 60-х годов астрофизик Х.Альвен попытался выявить вкольце астероидов (точнее, в уже известных семействах) соколки недав-него происхождения. Для этого он выделил орбиты, сходные не по двум, апо четырем собственным элементам (не считая большой полуоси), в томчисле по собственной долготе перигелия и собственной долготе узла. Всемействе Флоры I Альвен нашел 13 таких астероидов (из 23), а в се-мействах Флоры II, III и IV он обнаружил еще две группы, состоящие из20 и 28 астероидов. Аналогичные группы были выявлены и в других се-мействах. Альвен назвал их струйными потоками, или просто струями, илипотоками. Как бы тесно ни оказались расположенными узлы орбит в моментобразования осколков при дроблении родительского тела семейства, из-занебольших различий в размерах орбит через несколько сотен тысяч летосколки все равно распределятся более или менее равномерно по всемдолготам. Поэтому струйные потоки можно рассматривать как молодые об-разования, свидетельствующие о недавних дроблениях, происшедших уже вэпоху существования на Земле человека. Правда, сам Альвен придержива-ется иного мнения: он считает, что струйные потоки представляют собойструктурные образования тел, находящихся на пути к аккумуляции (объ-единению). Попытки выделить струйные потоки предпринимали и другие иссле-дователи. Пользуясь слегка различными критериями отбора, они получалидовольно противоречивые резулльтаты: и сами потоки, и их члены оказы-вались разными. Это дает повод сомневаться как в возможности обнаруже-ния, так и в самом существовании многих из них. Советский астрофизик Б.Ю.Левин показал, что значительная частьсемейств и струй содержит лишь один довольно крупный астероид, резковыделяющийся среди остальных более мелких членов семейства или струи.Из 54 рассмотренных им семейств и струй у 14 (26%) крупнейший членпревосходит остальные по массе на порядок и более. В четырех случаях(7%) различия по массе оказываются просто колоссальным - в 1000 раз иболее. Это означает, что глава семейства имеет поперечник более, чем в10 раз превосходящий поперечники остальных астероидов. Главами подоб-ных семейств являются Церера и Веста. Возникновение подобного семейства или струйного потока можетбыть связано со столкновением астероидов, сильно различающихся помассе, когда больший астероид не разваливается нацело, а лишь теряет ввиде осколков значительную часть массы, а также с косыми, почти каса-тельными столкновениями астероидов со сравнимыми массами. в последнемслучае возможно образование семейств с двумя крупными членами. Такимсемейством является содержащее 19 Фортуну и 21 Лютецию. Но большинство семейств образовалось, по-видимому, при катаст-рофических разрушениях астероидов, давших начало этим семействам, и несодержит подобных астероидов - великанов. Обломки, образовавшиеся при лроблении астероида, из-за слегкаразных у них гелиоцентрических скоростей обгоняют друг друга, остава-ясь в окрестностях орбиты родительского тела. В течение нескольких летили десятков лет они растягиваются вдоль всей орбиты, образуя рой. За-бавно, что уцелевшие "родители" семейств не терпят своих "детей". Ро-дительские астероиды вычерпывают их из роя, причем из-за малой относи-тельной скорости (десятки или сотни метров в секунду) встреча астерои-да со своим обломком не приводит к дальнейшему дроблению: осколокпросто зарывается в реголит своих родителей (под реголитом понимаетсяповерхностный слой, перемолотый падениями многочисленных мелких асте-роидных осколков). Впрочем, такая участь постигант очень немногоих.Кроме того, путем гравитационного воздействия родители изгоняют своиобломки на периферию возникшего роя, снижая пространственную плотностьтел в рое. Аналогичное действие оказывают на рой и планетные возмуще-ния. Однако с образованием семейств при дроблении астероидов делообстоит совсем не так просто, как может показаться. Когда в 1982 годусотрудники Технологического института в Пасадене (США) Д.Дэвис, К.Чеп-мен, Р.Гринберг и С.Вайденшиллинг специально исследовали вопрос об об-разовании семейства Эос, то оказалось, что родительский астероид, раз-меры которого превышали, по-видимому, 180 км, прежде чем испытать ка-тастрофическое столкновение с достаточно крупным объектом (в результа-те чего и должно было бы образоваться семейство), должен был столк-нуться по крайней мере с десятком более мелких тел. Под действием ихударов родительский астероид должен был "развалиться" на блоки с ха-рактерными размерами порядка 10 км, которые удерживались друг околодруга только силами тяготения. Между тем, сохранился объект поперечни-ком в 98 км (это сам Эос). Можно предположить, что это сохранившийся20-процентный остаток массы, состоящий из неразлетевшихся юлоков. Нотогда, как полагают исследователи, следующее по величине тело должнобыло бы иметь поперечник всего 5 км. Между тем второй по величине членсемейчтва имеет поперечник 80 км. Лишь с помощью серии весьмаискусственных предположений удается обойти эти трудности. Астероиды вблизи Земли Почти 3/4 века не подозревали, что не все астероиды движутьсямежду орбитами Марса и Юпитера. Но вот ранним утром 14 июня 1873 г.Джеймс Уотсон на обсерватории Энн Арбор (США) открыл астероид 132 Аэр-ту. За этим объектом удалось следить всего три недели, а потом его по-теряли. Однако результаты определения орбиты, хотя и неточной, убеди-тельно свидетельствовали, что перигелий Аэрты находится внутри орбитыМарса. На астероиды, которые бы приближались к орбите Земли, остава-лись неизвестны до конца XIX в. Теперь их число превышает 80 (см.табл. 1). Первый астероид вблизи Земли был открыт только 13 августа 1898г. В этот день Густав Витт на обсерватории Урания в Берлине обнаружилслабый объект, быстро перемещающийся среди звезд. Большая скоростьсвидетельствовала о его необычайной близости к Земле, а слабый блескблизкого предмета - об исключительно малых размерах. Это был 433 Эрос,первый астероид-малютка поперечником менее 25 км. В год его открытияон прошел на расстоянии 22 млн. км от Земли. Его орбита оказалась непохожа ни на одну до сих пор известную. Перигелием она почти касаласьорбиты Земли (q=1,46 a. e.) и была так мала по размерам (a=1,46 a.e.), что афелий не достигал кольца астероидов (q'=1,78 a. e.) (рис. 1) Через 13 лет, 3 октября 1911 г., Иоганн Пализа в Вене открыл719 Альберт, который мог подходить к Земле почти так же близко, какЭрос (q=1,19 a. e.). Почти на такой же орбите Макс Вольф в Гейдельбер-ге в 1918 г. открыл 887 Алинду, а Вальтер Бааде в Бергедорфе, в 1924г., на орбите чуть больших размеров - 1036 ганнимед. В 1929 г. к этимастероидам добавился 1627 Ивар и перигелием более близким к Земле, чему Эроса (q=1,12 a. e.), афелием, расположенным в середине кольца асте-роидов (q'=2,60 a. e.). 12 марта 1932 г. Эжен Дельпорт на обсерватории в Уккле (Бель-гия) открыл уж совсем крошечный астероид на орбите с перигелийнымрасстоянием q=1,08 a. e. Это был 1221 Амур поперечником менее 1 км,прошедшем в год открытия на расстоянии 16,5 млн. км от Земли (рис. 2). За пределами кольца Через несколько лет после Эроса, в 1904 г., был открыт астре-оид 588 Ахилл, движущийся по орбите больших размеров, далеко за преде-лами кольца астероидов, почти точно по орбите Юпитера. Затем было отк-рыто еще около 20 астероидов до 14m, движущихся примерно по орбитеЮпитера. Все они получили общее название троянцы, так как названы вчесть героев Троянской войны - греков и торянцев. Астероиды-греки опе-режают Юпитер примерно на 60o, а астероиды-троянцы следуют на таком жеугловом расстоянии позади него. Только Гектор и Патрокл находятся не всвоих группахю Все они довольно крупные объекты - диаметром порядка150 км - так долго оставались неоткрытыми из-за большой удаленности. Немногочисленные объекты были открыты и между кольцом астерои-дов и орбитой Юпитера. Некоторые из них могут близко подходить к орби-те Юпитера и даже выходить за ее пределы. Однако астероиды, орбиты ко-торых целиком лежали бы за пределами орбиты Юпитера, не были известныдо 1977 г., хотя на основании общих космогонических соображений неод-нократно высказывались идеи о возможности существования крупных телмежду орбитами Юпитера и Сатурна, являющихся, как и астероиды, сохра-нившимися остатками протопланетных тел. В октябре 1977 г. Чарльз Ковал в США открыл небывало далекийобъект : он двигался на расстоянии 16,7 а. е. от Солнца и получилпредварительное обозначение 1977 UB. Из-за большого расстояния объекточень медленно перемещался на фоне звезд, и потребовалось бы оченьдолго следить за ним, чтобы определить его орбиту с большой точностью.Однако через несколько месяцев, после предварительного определения ор-биты и расчетов прошлых эфемерид, изображение объекта удалось найти настарых снимках неба, сделанных в разных обсерваториях в 1976, 1969,1962, 1941 гг. и даже в 1895 г. Объект получил название Хирон и номер2060. В настоящее время Хирон движется по орбите с большой полуосьюa=13,70 a. e., затрачивая на одно обращение вокруг Солнца 50,7 года.Его орбита довольно эксцентрична (e=0,379), так что перигелий (рис. 3)находится слегка внутри орбиты Сатурна (q=8,51 a. e.), а афелий почтиу самой орбиты Урана (q'=18,90 a. e.). Орбита Хирона наклонена кплоскости эклиптики всего на 6o,9. Размеры самого тела составляют160-640 км.р Движение астероидов 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 отли-чаются друг от друга : они слабо эксцентричны и имеют малый или уме-ренный наклон. Поэтому-то почти все астероиды движуться, оставаясь впределах тороидального кольца. Сечение этого кольца плоскостью zr,перпендикулярной плоскости эклиптики и проходящей через Солнце, пока-зано на рис. 4. Границы кольца несколько условны : пространственнаяплотность астероидов (число астероидов в единице объема) падает по ме-ре удаления от центральной части, что на рисунке отражено менее густойштриховкой периферических областей сечения. Если по мере движенияастероида по орбите упомянутую плоскость zr вращать (вокруг оси, пер-пендикулярной плоскости эклиптики и проходящей через Солнце) вслед заастероидом (так, чтобы он все время оставался в этой плоскости), тоастероид за один оборот опишет в этой плоскости некоторую петлю. При-меры таких петель показаны на рисунке. Большая часть подобных петельлежит в пределах заштрихованной области, как у Цереры и Весты, движу-щихся по малоэксцентричным и мало наклоненным орбитам. У немногихастероидов из-за значительного эксцентриситета и наклона орбиты петля,как у Паллады (i=35o), выходит за пределы этой области или даже цели-ком лежит вне ее, как у атонцев. Поэтому астероиды встречаются и вдализа 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, заклю-чены в интервале от 2,2 од 3,2 а. е. Астероиды движуться по орбитам слинейной (гелиоцентрической) скоростью около 20 км/с, затрачивая наодин оборот вокруг Солнца от 3 до 9 лет. Их среднесуточное движениезаключено в пределах 400-1200'' (рис. 5). Эксцентричность этих орбит невелики - от 0 до 0,2 и редко пре-вышает 0,4. Но даже при очень малом эксцентриситете, всего в 0,1, ге-лиоцентрическое расстояние астероида во время движения по орбите меня-ется 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 до10o. Но при наклоне в 10o астероид может отклониться от плоскости эк-липтики примерно на 0,5 а. е., при наклоне 30o гходить от нее на 1,5а.е. По среднесуточному движению астероиды принято делить на пятьгрупп (рис. 5). Многочисленные по составу группы I, II и III включаютастероиды, движущиеся, соответственно, во внешней (наиболее удаленнойот Солнца), центральной и внутренней зонах кольца. В центральной зонепреобладают астероиды сферической подсистемы, тогда как во внутреннейзоне 3/4 астероидов являются членами плоской системы. По мере перехода от внутренней зоны к внешней становиться всебольше круговых орбит: в группе III эксцентриситет e<0,14 имеют всего36% астероидов, в группе II таких 44%, а в группе III -60%. Вероятно,это объясняется тем, что Юпитер, движущийся за внешней окраиной коль-ца, "вычистил" свои окрестности : тела на больших эксцентричных орби-тах могли, приближаясь к Юпитеру, испытывать сильные возмущения с егостороны и в результате выметались из кольца и даже из планетной систе-мы. Сохранились лишь тела на менее эксцентричных орбитах, недостижимыедля этого гиганта Солнечной системы. Все астероиды кольца находятся, если так можно выразиться, вбезопасной зоне. Но и они все время исаытывают возмущения со стороныпланет. Самое сильное воздействие на них оказывает, конечно, Юпитер.Поэтому их орбиты непрерывно меняются. Если быть совсем строгими, тонужно сказать, что путь астероида в пространстве представляет собой неэллипсы, а незамкнутые квазиэллиптические витки, укладывающиеся радомдруг с другом. Лишь изредка - при сближении с планетой - витки заметноотклоняются один от дргого. Планеты возмущают, конечно, движение нетолько астероидов, но и друг друга. Однако возмущения, испытываемыесамими планетами, малы и не меняют структуры Солнечной системы. Они немогут привести к столкновению планет друг с другом. С астероидами делообстоит иначе. Из-за больших эксцентриситетов и наклонов орбит астеро-идов под действием планетных возмущений меняются довольно сильно дажев том случае,если не происходит сближений с планетами. Астероиды отк-лоняются 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 астероидовохватывают еще слишком малые промежутки времени, чтобы можно было выя-вить существенные изменения орбит большинства астероидов, за исключе-нием отдельных редких случаев. Поэтому наши представления об эволюцииих орбит основаны на теоретических соображениях. Коротко они сводятя кследующему. Орбита кажого астероида колеблется около своего среднего поло-жения, затрачивая на каждое колебание несколько десятков или сотенлет. Синхронно меняются с небольшой амплитудой ее полуось, эксцент-риситет и наклон. Перигелий и афелий то приближаются к Солнцу, то уда-ляются от него. Эти колебания включаются как составная часть в колеба-ния большего периода - тысячи или десятки тысяч лет. Они имеютнесколько другой характер. Большая полуось не испытывает дополнитель-ных изменений. Зато амплитуды колебаний эксцентриситета и наклона мо-гут быть намного больше. При таких масштабах времени можно уже нерассматривать мгновенных положений планет на орбитах : как в ускорен-ном фильме астероид и планета оказываются как бы размазанными по своиморбитам. Становится целесообразным рассматривать их как гравитирующиекольца. Наклон астероидного кольца к плоскости эклиптики, где нахо-дятся планетные кольца - источник возмущающих сил, - приводит к тому,что астероидное кольцо ведет себя подобно волчку или гироскопу. Толькокартина оказывается более сложной, потому что орбита астероида не яв-ляется 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 менеепостоянной скоростью по часовой стрелке. В течение одного оборота нак-лонение, эксцентриситет, перигелийное и афелийное расстояния испытыва-ют два колебания. Когда линия узлов совпадает с линией аспид (а этослучается дважды за один оборот), наклон оказывается максимальным, аэксцентриситет минимальным. Форма орбиты становится ближе к круговой,малая полуось орбиты увеличивается, перигелий максимально отодвинут отСолнца, а афелий приближен к нему (поскольку q+q'=2a=const). Затем ли-ния узлов смещается, наклон уменьшается, перигелий движется к Солнцу,афелий - прочь от него, эксцентриситет растет, а малая полуось орбитысокращается. Экстремальные значения достигаются, когда линия узловоказывается перпендикулярной линии аспид. Теперь перигелий расположенближе всего к Солнцу, афелий дальше всего от него, и обе эти точкисильнее всего отклоняются от эклиптики. Исследования эволюции орбит на длительных промежутках временипоказывают, что описанные изменения включаются в изменения еще больше-го периода, происходящие с еще большими амплитудами колебаний элемен-тов, причем в движение включается и линия аспид. Итак, каждая орбита непрерывно пульсирует, да и к тому же ещеи вращается. При малых e и i их колебания происходят с малыми амплиту-дами. Почти круговые орбиты, лежащие к тому же вблизи плоскости эклип-тики, меняются едва заметно. У них все сводится к легкой деформации ислабому отклонению то одной, то другой части орбиты от плоскости эк-липтики. Но чем больше эксцентриситет и наклон орбиты, тем сильнеепроявляются возмущения на больших промежутках времени. Таким образом, планетные возмущения приводят к непрерывномуперемешиванию орбит астероидов, а стало быть, и к перемешиванию движу-щихся по ним объектов. Это дает возможным столкновения астероидов другс другом. За минувшие 4,5 млрд. лет, с тех пор как существуют астерои-ды, они испытали много столкновений друг с другом. Наклоны и эксцент-риситеты орбит приводят к непараллельности их взаимных движений, искорость, с которой астероиды проносятся один мимо другого (хаотичнаякомпонента скорости), в среднем составляет около 5 км/с. Столкновенияс такими скоростями ведут к разрушению тел. Форма и вращение астероидов Астероиды так малы, что сила тяжести на них ничтожна. Она не всостоянии придать им форму шара, какую придает планетам и их большимспутникам, сминая и утрамбовывая их вещество. Большую роль при этомиграет явление текучести. Высокие горы на Земле у подошвы "располза-ются", так как прочность пород оказывается недостаточной для того,чтобы выдержать нагрузки во многие тонны на 1 см3,и камень, не дро-бясь, не раскалываясь, течет, хотя и очень медленно. На астероидах поперечником до 300-400 км из-за малого веса тампород подобное явление текучести вовсе отсутствует, а на самых крупныхастероидах оно происходит чрезвычайно медленно, да и то лишь в их нед-рах. Поэтому "утрамбованы" силой тяжести могут быть лишь глубокие нед-ра немногих крупных астероидов.Если вещество астероидов не проходилостадии плавления, то оно должно было остаться "плохо упакованным",примерно, каким возникло на стадии аккумуляции в протопланетном обла-ке. Только столкновения тел друг с другом могли привести к тому, чтовещество постепенно уминалось, становясь менее рыхлым. Впрочем, новыестолкновения должны были дробить спрессованное вещество. Малая сила тяжести позволяет разбитым астероидам существоватьв виде агрегатов, состоящих из отдельных блоков, удерживающихся другоколо друга силами тяготения, но не сливающихся друг с другом. По тойже причине не сливаются с ними и опустившиеся на поверхность астерои-дов их спутники. Луна и Земля, соприкоснувшись друг с другом, слслисьбы, как сливаются (хотя и по другой причине) соприкоснувшиеся капли, ичерез некоторое время получилось бы одно, тоже шарообразное тело, поформе которого нельзя было бы догадаться, из чего оно получилось.Впрочем, все планеты Солнечной системы на закючительном этапе формиро-вания вбирали в себя довольно крупные тела, не сумевшие превратиться вса
