Asteroidai, kometos ir nykštukinės planetos

Астероиды, кометы и карликовые планеты

Остатки формирования планет, сохранившиеся в таких областях, как Пояс астероидов и Пояс Койпера

1. Остатки формирования планетных систем

В протопланетном диске, окружавшем молодое Солнце, множество твердых тел собрались и столкнулись, в конечном итоге формируя планеты. Однако не весь материал слился в эти крупные тела; остались планетезимали и частично сформировавшиеся протопланеты, разбросанные по системе или стабильно расположенные (например, в Поясе астероидов между Марсом и Юпитером) либо выброшенные далеко в Пояс Койпера или Облако Орта. Эти маленькие объекты — астероиды, кометы и карликовые планеты — являются своего рода «ископаемыми» времен рождения Солнечной системы, сохранившими ранние особенности состава и структуры, мало затронутые планетарными процессами.

  • Астероиды: Каменистые или металлические тела, чаще всего встречающиеся во внутренней части Солнечной системы.
  • Кометы: Ледяные тела из внешних областей, образующие газово-пылевую кому при приближении к Солнцу.
  • Карликовые планеты: Достаточно массивные, почти сферические объекты, но не расчистившие свои орбиты, например, Плутон или Церера.

Изучение этих остатков позволяет понять, как была распределена материя солнечной системы, как происходило формирование планет и как оставшиеся планетезимали сформировали конечную планетную архитектуру.

2. Пояс астероидов

2.1 Положение и основные характеристики

Пояс астероидов простирается примерно от 2 до 3,5 а.е. от Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Хотя его часто называют «поясом», он на самом деле охватывает широкую область с более разнообразными орбитальными наклонами и эксцентриситетами. В этой области астероиды варьируются от Цереры (ныне отнесённой к карликовым планетам, диаметром около 940 км) до обломков размером в метр и даже мельче.

  • Масса: Весь пояс составляет около ~4 % массы Луны, поэтому он далек от массивного планетного тела.
  • Промежутки (Gaps): Промежутки Кирквуда существуют там, где орбитальные резонансы с Юпитером очищают орбиты.

2.2 Происхождение и влияние Юпитера

Изначально там могло быть достаточно массы для формирования протопланеты размером с Марс в области Пояса астероидов. Однако сильная гравитация Юпитера (особенно если Юпитер сформировался рано и, возможно, немного мигрировал) нарушила орбиты астероидов, увеличила их скорости и помешала объединению в более крупный объект. Ударная фрагментация, резонансное рассеяние и другие явления оставили лишь часть первоначальной массы в виде долгоживущих остатков [1], [2].

2.3 Типы состава

Астероиды характеризуются разнообразием состава, зависящим от расстояния до Солнца:

  • Внутренний пояс: S-типа (горные), M-типа (металлические) астероиды.
  • Средний пояс: C-типа (углистые), их доля увеличивается дальше.
  • Внешний пояс: Богат более летучими соединениями, может напоминать кометы семейства Юпитера.

Спектральные исследования и связи с метеоритами показывают, что часть астероидов является частично дифференцированными или остатками мелких примордиальных планетезималей, а другие – примитивными, никогда не нагревавшимися достаточно, чтобы отделить металлы от силикатов.

2.4 Столкновительные семейства

Если крупные астероиды сталкиваются, они могут создавать множество фрагментов с похожими орбитами – столкновительные семейства (например, семейства Коронис или Темиды). Их изучение помогает реконструировать прошлые столкновения, улучшает понимание того, как планетезимали реагируют на высокие скорости, а также динамическое развитие пояса в течение миллиардов лет.

3. Кометы и пояс Койпера

3.1 Кометы – ледяные планетезимали

Кометы – ледяные тела, содержащие водяной лед, CO2, CH4, NH3 и пыль. При приближении к Солнцу происходит сублимация летучих веществ, создавая кому и обычно два хвоста (ионный/газовый и пылевой). Их орбиты часто эксцентричны или наклонены, поэтому они иногда появляются во внутренней системе как временные явления.

3.2 Пояс Койпера и транснептуновые объекты

За Нептуном, примерно в 30–50 а.е. от Солнца, простирается пояс Койпера – хранилище транснептуновых объектов (TNO). Этот регион богат ледяными планетезималями, включая карликовые планеты, такие как Plutonas, Haumėja, Makemake. Некоторые TNO (например, «Плутино») находятся в резонансе 3:2 с Нептуном, другие принадлежат рассеянному диску, достигающему сотен а.е.

  • Состав: Много льда, углеродистых материалов, возможно органических соединений.
  • Динамические подклассы: Классические KBO, резонансные, рассеиваемые TNO.
  • Значение: Объекты пояса Койпера показывают, как развивались внешние части Солнечной системы и как миграция Нептуна сформировала орбиты [3], [4].

3.3 Долгопериодические кометы и Облако Оорта

Для тех, у кого перигелии очень далеки, долгопериодические кометы (орбиты >200 лет) происходят из Облака Оорта – огромного сферического резервуара комет на десятки тысяч а.е. от Солнца. Проходящие звезды или галактические приливы могут подтолкнуть комету из Облака Оорта внутрь, создавая орбиты с произвольными наклонами. Эти кометы являются наиболее неизменёнными телами, которые могут содержать оригинальные летучие соединения эпох формирования Солнечной системы.

4. Карликовые планеты: мост между астероидами и планетами

4.1 Критерии IAU

В 2006 году Международный астрономический союз (IAU) определил «карликовую планету» как небесное тело, которое:

  1. Вращается непосредственно вокруг Солнца (не является спутником).
  2. Достаточно массивен, чтобы под собственной гравитацией быть почти сферическим.
  3. Не очистил свою орбитальную область от других тел.

Cerera в поясе астероидов, Plutonas, Haumėja, Makemake, Eris в области Койпера являются яркими примерами. Они демонстрируют переходные крупные тела – больше типичных астероидов или комет, но не обладающие достаточной силой, чтобы очистить свои орбиты.

4.2 Примеры и их особенности

  1. Cerera (~940 км в диаметре): Водянистое или глинистое карликовое тело с светлыми карбонатными пятнами – они указывают на возможную прошлую гидротермальную или криовулканическую активность.
  2. Плутон (~2370 км): Ранее считался девятой планетой, теперь отнесён к карликовым. Имеет сложную систему спутников, тонкую азотную атмосферу, разнообразные поверхности.
  3. Eris (~2326 км): Объект рассеянного диска, массивнее Плутона, обнаруженный в 2005 году, который вызвал изменения в классификации планет IAU.

Эти карликовые планеты показывают, что эволюция планетезималей может привести к почти или частично дифференцированным телам, переходящим границу между крупными астероидами/кометами и малыми планетами.

5. Взгляд на формирование планет

5.1 Остатки ранних стадий

Астероиды, кометы и карликовые планеты рассматриваются как первичные остатки. Исследования их состава, орбит и внутренней структуры раскрывают первоначальное радиальное распределение солнечных систем (скальные внутри, ледяные снаружи). Они также показывают, как формировались планеты и какие эпизоды рассеяния не позволили им слиться в более крупные тела.

5.2 Перенос воды и органики

Кометы (и, возможно, некоторые углеродистые астероиды) являются основными кандидатами, которые могли переносить воду и органические вещества на внутренние земные планеты. Происхождение воды на Земле частично могло зависеть от поздних таких доставок. Изучение изотопного соотношения воды (например, D/H) и органических маркеров в кометах и метеоритах помогает проверять эти гипотезы.

5.3 Ударная эволюция и конечная конфигурация системы

Такие массивные планеты, как Юпитер или Нептун, сильно повлияли на орбиты в Поясе астероидов и поясе Койпера. На ранних этапах гравитационные резонансы или рассеяние выбросили множество планетезималей из Солнечной системы или притянули их внутрь, вызывая эпизоды интенсивных бомбардировок. Аналогично в системах экзопланет остатки планетезимальных скоплений (debris belt) могут формироваться миграцией или рассеянием гигантских планет.

6. Текущие исследования и миссии

6.1 Посещение астероидов и доставка образцов

NASA Dawn исследовал Весту и Цереру, выявляя разные пути эволюции – Веста почти «полная» протопланета, а Церера имеет много признаков льда. Тем временем Hayabusa2 (JAXA) доставил образцы с Рюгу, OSIRIS-REx (NASA) – с Bennu, получая прямые данные о химическом составе углеродистых или металлических астероидов [5], [6].

6.2 Миссии к кометам

ESA Rosetta в орбите зонда исследовала комету 67P/Чурюмова–Герасименко, выпустила посадочный модуль (Philae). Данные выявили пористую структуру, уникальные органические молекулы и признаки изменяющейся активности при приближении к Солнцу. Будущий проект (например, Comet Interceptor) может нацелиться на недавно обнаруженные долгопериодические или даже межзвездные кометы, раскрывая ещё не разрушенные летучие вещества.

6.3 Пояс Койпера и исследования карликовых планет

Миссия New Horizons в 2015 году посетила Плутон, изменив понимание геологии этого карликового тела – обнаружены ледники из азотного льда, возможно внутренние океаны, экзотические формы льда. Последующий пролёт мимо Arrokoth (2014 MU69) показал двойной контактный объект в поясе Койпера. В будущем возможны миссии к Хаумеа или Эриде – для более глубокого понимания структуры и динамики этих отдалённых тел.

7. Экзопланетные аналоги

7.1 Диски обломков вокруг других звёзд

Наблюдаемые звёздные «пояса обломков», характерные для главной последовательности (например, β Пикторис, Фомальгаут), показывают структуру колец, возникающих из-за столкновений между оставшимися планетезималями – аналогично нашим астероидному и поясу Койпера. Эти диски могут быть «тёплыми» или «холодными», управляемыми или перестраиваемыми вмешивающимися планетами. В некоторых системах видны следы экзокомет (короткие спектральные сигналы поглощения), указывающие на активное население планетезималей.

7.2 Столкновения и «пробелы»

В экзопланетных системах с гигантскими планетами рассеяние может создавать «внешние пояса». Альтернативно – резонансные кольца, если крупная планета организует планетезимали. Высокое разрешение субмиллиметровых наблюдений (ALMA) иногда обнаруживает системы с несколькими поясами и промежутками посередине, похожие на модель нескольких резервуаров нашей системы (внутренний пояс как астероидный, внешний пояс – как пояс Койпера).

7.3 Возможные экзокарликовые тела

Хотя обнаружить крупное транснептуновое экотело вокруг другой звезды было бы сложно, в будущем улучшенная визуализация или метод радиальной скорости могут обнаружить «экзоплутоновые» тела, повторяющие роль Плутона или Эриды – переходные тела между ледяными планетезималями и малыми экзопланетами.

8. Более широкое значение и перспективы на будущее

8.1 Хранители первичной записи солнечных систем

Кометы и астероиды практически не имеют или имеют очень слабую геологическую активность, поэтому многие из них остаются «капсулами времени», показывающими древние изотопные и минералогические признаки. Карликовые планеты, если они достаточно крупные, могут быть частично дифференцированы, но сохраняют следы первичного нагрева или криовулканизма. Изучение этих тел помогает раскрыть начальные условия формирования и последующие изменения миграции гигантских планет или воздействия Солнца.

8.2 Ресурсы и применение

Некоторые астероиды и карликовые планеты привлекательны как потенциальные источники (воды, металлов, редких элементов) для будущей космической промышленности. Знание их состава и орбитальной доступности определяет ближайшие планы использования ресурсов. Между тем кометы могут поставлять летучие вещества в дальних исследовательских миссиях.

8.3 Миссии к внешним рубежам

После успеха New Horizons (посетившего Плутон и Аррокот), рассматривается орбитальная миссия в Пояс Койпера или новые экспедиции к спутнику Нептуна Тритону или кометам из Облака Оорта. Это могло бы значительно расширить наши знания о динамике малых тел, химическом распределении и, возможно, распространении гигантских карликовых планет в самых отдалённых областях Солнечной системы.

9. Заключение

Астероиды, кометы и карликовые планеты — это не просто мелкие космические обломки, а скорее строительные блоки планет и части незавершённых тел. Пояс астероидов — это незавершённый протопланетный регион, разрушенный гравитацией Юпитера; Пояс Койпера сохраняет ледяные реликвии из внешней туманности, Облако Оорта расширяет этот резервуар до световых лет. Карликовые планеты (Церера, Плутон, Эрида и др.) демонстрируют переходные случаи: они достаточно велики, чтобы быть почти сферическими, но недостаточно доминируют, чтобы очистить свои орбиты. Тем временем кометы, пролетая, раскрывают яркие сигналы летучих веществ.

Изучение этих тел — через миссии, такие как Dawn, Rosetta, New Horizons, OSIRIS-REx и другие — позволяет учёным получить ключевую информацию о формировании архитектуры Солнечной системы, о том, как вода и органика могли попасть на Землю, и о том, как диски экзопланет ведут себя аналогично. Объединяя все доказательства, вырисовывается общий вывод: «малые тела» являются краеугольным камнем для понимания сборки планет и их дальнейшей эволюции.

Nuorodos ir tolesnis skaitymas

  1. Morbidelli, A., & Nesvorný, D. (2020). «Происхождение и динамическая эволюция комет и их резервуаров.» Space Science Reviews, 216, 64.
  2. Bottke, W. F., et al. (2006). «Разрушение астероида 160 млн лет назад как вероятный источник ударного тела K/T.» Nature, 439, 821–824.
  3. Malhotra, R., Duncan, M., & Levison, H. F. (2010). «Пояс Койпера.» Protostars and Planets V, University of Arizona Press, 895–911.
  4. Gladman, B., Marsden, B. G., & Vanlaerhoven, C. (2008). «Номенклатура во внешней Солнечной системе.» The Solar System Beyond Neptune, University of Arizona Press, 43–57.
  5. Russell, C. T., et al. (2016). «Прибытие Dawn к Церере: исследование маленького мира, богатого летучими веществами.» Science, 353, 1008–1010.
  6. Britt, D. T., et al. (2019). «Внутреннее строение астероидов и их массовые свойства.» В Asteroids IV, University of Arizona Press, 459–482.

```

Вернуться в блог