Изучение астероидов как возможность понять историю Солнечной системы и тайну возникновения жизни на Земле
Вся история человеческого существования — это крошечный след в истории нашей Солнечной системы возрастом 4,5 миллиарда лет. Никто не знал как выглядели планеты нашей системы еще до критических изменений, до образования той конфигурации в которой они находятся сейчас. Чтобы понять, что было до нас, до жизни на Земле, и даже до появления самой Земли ученые ищут подсказки, изучая космические объекты.
Ключевыми в этом случае объектами являются астероиды, кометы и другие относительно некрупные объекты. Как детективы, подвергающие сомнению судебные доказательства, ученые тщательно изучают эти тела для понимания нашего происхождения, стараются понять как можно больше о временах, когда бесчисленные метеоры и астероиды плавились на планетах, горели на Солнце, вырвались за орбиту Нептуна или сталкивались друг с другом, разбиваясь на более мелкие тела. Начиная от далеких ледяных планет, заканчивая астероидами, которые ознаменовали собой конец эпохи динозавров, каждый космический камень содержит подсказки об эпических событиях, которые сформировали Солнечную систему в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, сформировали жизнь на Земле.
Миссии NASA по изучению этих «непланет» помогают нам понять каким образом были сформированы собственно сами планеты, включая Землю, выявлять опасность от входящих в нашу систему объектов и думать о будущем разведывательных операций. На данный момент они уже сыграли ключевые роли в истории понимания Солнечной системы и в какой-то степени отражают изменения, происходящие в ней сегодня.
«На них может и не быть гигантских вулканов, глобальных океанов или пыльных бурь, но маленькие миры могут ответить на серьезные вопросы о происхождении Солнечной системы», — отметила Лори Глауз, исполняющий обязанности директора Отдела планетарной науки в штаб-квартире NASA в Вашингтоне. «Астероиды, кометы и другие мелкие тела содержат материал датирующийся моментом формирования Солнечной системы. Если мы хотим знать, откуда мы пришли, мы должны изучить эти объекты».
NASA имеет долгую историю изучения небольших тел, начиная с пролета Galileo в 1991 году над астероидом Гаспра. Первый космический корабль попавший на орбиту околоземного астероида (NEAR) также успешно высадился на астероиде Эрос в 2000 году и провел измерения, которые изначально не планировались. В 2005 году в рамках миссии Deep Impact было проведено исследование космического тела Comet Tempel 1, которое заставило ученых задуматься о месте происхождения комет. Более поздние усилия основывались на этих успехах. Представляем вам краткий обзор того, что уже известно сегодня.
Формирование планет из космической пыли
Наша Солнечная система, как мы ее знаем сегодня, сформировалась из частиц космической пыли — крошечных частиц камня, металла и льда, заключенных в диск вокруг нашего еще молодого Солнца. Большая часть материала с этого диска попала в «новорожденную» звезду, но некоторые частицы избегли этой судьбы и склеивались, превращаясь в астероиды, кометы и даже планеты. До сих пор сохранилось много остатков, подтверждающие эти процессы. Рост планет из более мелких объектов — лишь одна часть нашей общей истории, которую помогло раскрыть исследование астероидов и планет.
Две древние окаменелости, ключевые объекты в этой истории, — Веста и Церера, самые большие тела в поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Космический корабль NASA Dawn, который недавно завершил свою миссию, изучил их и окончательно показал, что они не являются частью обычного «астероидного клуба». В то время как многие астероиды являются свободно парящими каменистыми телами, внутренняя структура Весты и Цереры представлена слоями и ядром. С научной точки зрения их внутренняя структура дифференцирована. Это указывает на то, что оба этих тела пребывали на пути к переходу в формат планет, но их рост был замедленным — эти объекты никогда не обладали достаточным количеством материала для того, чтобы стать столь же крупными как планеты.
При этом, если Веста в значительной степени безводный объект, Церера покрыта льдом. Состав Цереры может содержать до 25 процентов воды, в основном связанной с минералами или льдом. Не отрицается и возможное существование подземного океана. Присутствие аммиака в составе Цереры также весьма интересно, потому что для этого требуются как правило более низкие температуры, чем те, которые возможны при текущем местоположении Цереры. Это указывает на то, что карликовая планета могла образоваться за пределами Юпитера и мигрировала или, по крайней мере, включала материалы, которые формировались дальше от Солнца. Тайна происхождения Цереры показывает, насколько сложна планетарная формация, а также подчеркивает сложную историю Солнечной системы.
Не смотря на то, что человечество уже способно поверхностно изучить «интерьеры» планет, узнать точный состав ядра любого из космических объектов, включая Землю, практически невозможно. Возможно тайну «внутреннего мира» Марса приоткроет миссия NASA InSight.
Тем не менее, существует объект под названием Психея, который предлагает ученым возможность изучить свое ядро без какого-либо бурения. Дело в том, что астероид Психея сам по себе представляет собой открытое железо-никелевое ядро протопланеты — маленького мира, который сформировался в начале истории Солнечной системы, но так и не достиг планетарного размера. Подобно Весте и Церере, Психея «поняла» что ей никогда не достичь уровня планеты. Планируется, что миссия NASA Psychea, начало которой было положено в 2022 году, подробно изучить этот металлический объект ипоможет рассказать историю формирования протопланеты.
Стоит упомянуть и о космическом аппарате NASA «Новые горизонты», который в настоящее время находится на пути к удаленному объекту под названием 2014 MU69, также известному как Ultima Thule. На расстоянии в один миллиард миль дальше от Солнца, нежели Плутон, MU69 является представителем пояса Койпера, региона за орбитой Нептуна, насыщенного ледяными объектами. Такие объекты, как MU69, могут представлять собой самый примитивный или неизменный материал, который присутствует в Солнечной системе. Не смотря на то, что орбиты планет представляют собой эллипсы вокруг Солнца, MU69 и многие другие объекты пояса Койпера имеют очень круговые орбиты, что указывает на то, что они не отошли от своих первоначальных путей 4,5 миллиарда лет назад. Эти объекты могут представлять собой строительные блоки Плутона и других далеких ледяных миров, подобных ему. Планируется, что «Новые горизонты» совершит максимальное сближение с MU69 1 января 2019 года и это будет самый далекий пролет по орбите космического тела в истории.
«Ultima Thule имеет просто невероятную научную ценность для понимания происхождения нашей Солнечной системы и ее планет», — сообщил Алан Стерн, главный исследователь миссии New Horizons из Юго-западного научно-исследовательского института в Боулдере (США) «Это древний и первозданный мир, подобных которому мы никогда не видели прежде».
Носители элементов, необходимых для формирования жизни
Маленькие миры также, вероятно, ответственны за насыщение Земли жизненно важными ингредиентами. Изучение того, какими запасами воды они обладают и потенциала обитаемости этих «резервуаров» может рассказать о зарождении жизни на нашей планете.
«Маленькие тела безусловно участвовали в медленной и устойчивой эволюции Солнечной системы с течением времени, а также повлияли на формирование планетарных атмосфер и появление возможностей для зарождения жизни. Земля лишь часть этой истории», — сообщил главный ученый NASA Джим Грин.
Одним из примеров астероида, содержащего строительные блоки жизни, является Бенну, — основная цель миссии NASA OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer). Бенну содержит молекулы углерода и воды, которые необходимы для жизни, в том виде в каком мы ее знаем. Считается, что в период формирования Земли объекты, подобные Бенну, падали на поверхность и доставляли эти материалы на нашу планету. У этих объектов не было океанов — лишь молекулы воды, связанные минералами. Предполагается, что до 80 процентов воды на Земле образовалось как результат падения таких из небольших космических тел, как Бенну. Изучая Бенну, ученые планируют понять каким образом бесплодная молодая Земля приобрела жизнь.
Считается, что Бенну сформировался в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером, а после пережил катастрофическое столкновение, которое произошло в промежуток между 800 миллионами и 2 миллиардами лет назад. Ученые считают, что большой, богатый углеродом астероид был разбит на тысячи кусков, а Бенну — один из его остатков. Бэнну считается не просто твердым объектом, а астероидом «склеенным из обломков», то есть представляет собой «коллекцию» каменистых тел собранных в одно целое под действием силы тяжести. Планируется, что аппарат OSIRIS-REx пребудет на Бенну в начале декабря 2018 года после того, как преодолеет расстояние в 2 миллиарда километров, а после вернет образец этого интригующего объекта на Землю в капсуле. Произойдет это в 2023 году.
Японская миссия Hayabusa-2 уже сегодня изучает астероид из этого же семейства тел, которые, как полагают, доставляли ингредиенты для жизни на Землю. В настоящее время аппарат находится на орбите астероида Рюгу, а на его поверхности уже прыгают специальные роботы-роверы. Целью миссии является сбор образцов астероида, помещение их в специальную капсулу и возврат на Землю для последующего анализа к концу 2020 года. Когда это произойдет, спустя три года ученые получат образцы астероида Бенну и обязательно сравнят их с образцами Рюгу, выявят сходства и различия, — в случае успеха миссий, это будет настоящий прорыв в понимании истории формирования Солнечной системы и Земли.
Элементы эволюции Солнечной системы
Большая часть материала, который сформировал нашу Солнечную систему, включая Землю, оказалась трудно досягаемой. Многие космические тела сгорели на Солнце, другие были выброшены за пределы видимости самых мощных телескопов. Считается, что планеты были сформированы лишь малой частью этого материала. Но есть некоторые «отщепенцы», которые все же остались с тех самых времен, когда наша планета еще только начала свое вращение вокруг Солнца.
Особенно катастрофическим для Солнечной системы считается период между 50 и 500 миллионами лет после формирования Солнца. В это время Юпитер и Сатурн — самые массивные гиганты нашей системы, реорганизовали объекты на своей орбите, — их гравитация взаимодействовала с меньшими мирами, такими как астероиды. Уран и Нептун, возможно, возникли ближе к Солнцу и были «выгнаны» наружу в тот момент, когда Юпитер и Сатурн изменили свое местоположение. Фактически, Сатурн, возможно, помешал Юпитеру «съесть» некоторые из планет, включая Землю, поскольку его гравитация противодействовала дальнейшему движению Юпитера к Солнцу.
Рои так называемых троянских астероидов, могут помочь ученым разобраться в деталях этого бурного периода. Троянские астероиды состоят из двух кластеров небольших тел, которые разделяют орбиту Юпитера вокруг Солнца, причем одна группа находится впереди Юпитера, а одна сзади. Но некоторые троянские астероиды, возможно, сделаны из других материалов и отличаются друг от друга, о чем свидетельствуют их различные цвета. Некоторые из них намного более красные, нежели другие, и, возможно, возникли за пределами орбиты Нептуна, в то время как более серые, возможно, намного ближе к Солнцу. Ведущая теория состоит в том, что, когда Юпитер менял свое положение, эти объекты были сопоставлены с точками Лагранжа — местами, где гравитация Юпитера и Солнца создает зоны захвата, в которые могут попасть астероиды. Ученые говорят о том, что разнообразие троянских астероидов отражает изменение положения Юпитера.
«Эти объекты — остатки того, что происходило в то время, когда Юпитер менял свое местоположение, — сообщил Хэл Левизон, исследователь из Юго-западного научно-исследовательского института.
Миссия NASA Lucy, старт которой запланирован на октябрь 2021 года, будет посвящена изучению троянских астероидов — космический корабль изучит сразу шесть троянских астероидов (по три астероида в каждом рое). По мнению Левисона — главного исследователя миссии, космический корабль проверит гипотезу о перемещении Юпитера, на которой десятилетиями работали его коллеги.
Процессы развития Солнечной системы
После захода солнца, при правильных условиях, вы можете заметить рассеянный солнечный свет в плоскости эклиптики, в области неба, где орбиты планет. Это связано с тем, что солнечный свет рассеивается пылью, оставшейся от столкновений мелких тел, таких как кометы и астероиды. Ученые называют это явление «зодиакальным светом» и это свидетельствует о том, что наша Солнечная система все еще активна. Зодиакальная пыль вокруг других звезд указывает на то, что они также могут поддерживать в своем составе активные планетные системы.
Пыль от мелких тел сыграла важную роль и на нашей планете в частности. Ежедневно на Землю выпадает около 100 тонн метеоритного материала и пыли. Некоторые из них происходят от комет, деятельность напрямую играла роль в эволюции Земли. Когда кометы приближаются к Солнцу и испытывают его тепло, газы внутри кометы вырываются и уносят пыльный материал из кометы, включая ингредиенты, необходимые для формирования жизни. Так, космический аппарат NASA Stardust во время пролета кометы Comet 81P/Wild обнаружил, что кометная пыль содержит аминокислоты, которые являются строительными элементами жизни.
Случайные выбросы газа и пыли, наблюдаемые на кометах, указывают на активность их поверхности, например, оползни. Миссия Rosetta Европейского космического агентства, которая завершила разведку кометы 67P/Чурюмова-Герасименко в 2016 году, предоставила беспрецедентную информацию о кометной активности. Космический корабль наблюдал, как массивный кусок скалы на комете перемещался, образовывалась большая трещина и валун продолжал движение.
«Мы обнаружили, что валуны размером с большой грузовик способны перемещаться по поверхности размером до полутора футбольных полей», — сообщил Рами Эль-Маарри, член научной группы US Rosetta из Университета Колорадо (США).
Кометы также влияют на движение планет сегодня. Поскольку гравитация Юпитера продолжает выбрасывать кометы за пределы Солнечной системы, он постепенно движется к Солнцу. При этом Нептун, наоборот, толкает кометы внутрь и, в свою очередь, также получает небольшой импульс. Согласно этим процессам Уран и Сатурн тоже очень медленно движутся в направлении от Солнца.
Космический корабль, который наблюдал самое большое количество комет — это Солнечная и гелиосферная обсерватория NASA (SOHO), известная своими наблюдениями за Солнцем. Так SOHO наблюдал, что Солнце «съедает» тысячи комет, а это означает, что эти маленькие миры распыляли материал во внутренней части Солнечной системы лишь для того, чтобы стать «ужином» для Солнца.
Опасность для Земли
Астероиды все еще могут представлять угрозу для планет, в том числе и нашей. В то время как троянские астероиды застряли на орбите Юпитера, Бэнну — цель миссии OSIRIS-REx, является одним из наиболее опасных астероидов для Земле, который известен в настоящее время. И хотя его шансы столкнуться с Землей по-прежнему относительно малы, по оценкам ученых, Бенну имеет шанс на 1 к 2700 повлиять на нашу планету во время одного из своих близких подходов к Земле в конце 22-го века. Сегодня ученые могут точно предсказать путь Бенну в 2135 году, когда астероид совершит один из своих близких пролетов над поверхностью Земли. Подробные наблюдения аппарата OSIRIS-REx позволят ученым наиболее подробно изучить это потенциально опасное космическое тело и своевременно разработать «иммунитет» от возможных последствий сближения его с Землей.
«Мы разрабатываем множество технологий для точной работы с этими типами тел и изучения их поверхности, а также характеризуем их общие физические и химические свойства. Нам понадобится эта информация, если мы хотите спроектировать отклонение астероида», — сказал Данте Лоретта, главный исследователь миссии OSIRIS-REx, базирующейся в Университете Аризоны в Тусоне (США).
Еще одна предстоящая миссия, которая проверит потенциал защиты планеты от естественных угроз воздействия, — это миссия NASA по «перенаправлению» астероидов DART, в результате которой будет сделана попытка изменить движение небольшого астероида. Каким образом? Кинетическое воздействие — другими словами, столкновение с другим телом, траектория полета которого будет контролироваться с Земли.
Целью DART является Дидим, двоичный астероид, состоящий из двух объектов, вращающихся вокруг друг друга. Большее тело составляет около 800 метров в диаметре, а его небольшой спутник менее 150 метров. Астероид такого размера, при попадании на поверхность Земли может привести к глобальному повреждению целого региона. Планируется, что DART намеренно врежется в спутник астероида для того, чтобы немного изменить орбитальную скорость маленького объекта. Затем телескопы на Земле будут измерять это изменение скорости, наблюдая за новым периодом времени, которое требуется для того, чтобы спутник совершил оборот вокруг основного тела. При этом планируется, что орбита изменится менее чем на одну процентную долю. Но даже этого небольшого изменения может быть достаточно для того, чтобы изменить траекторию движения всего астероида. Космический корабль, созданный в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса, планируется запустить весной-летом 2021 года.
Дидим и Бенну — всего лишь два из почти 19 000 известных околоземных астероидов. Есть более 8 300 известных околоземных астероидов размером со спутник Дидим и больше, при этом ученые считают, что около около 25 000 астероидов в этом диапазоне размеров существуют в околоземном пространстве. Космический телескоп, помогающий ученым обнаруживать и понимать такие объекты, включая потенциально опасные, называется NEOWISE (Near-Earth Object Wide-Field Infrared Survey Explorer).
«Мы очень мало знаем про большинство астероидов, не считая их орбиты и степень светимости. С помощью NEOWISE мы можем использовать тепло, выделяемое из объектов, чтобы оценить их размеры», — сказала Эми Майнзер, главный исследователь NEOWISE из Лаборатории реактивного движения NASA. «Это очень важно, так как степень опасности астероидов зависит в первую очередь от его размеров».
Космические станции и источники ресурсов
В космосе пока еще нет заправочных станций, но ученые и инженеры уже начинают думать о том, как использовать астероиды в качестве вспомогательных плацдармов для космических аппаратов дальнего полета. Также эти небольшие миры могут помочь астронавтам пополнить запасы. Так, например, на Бенну есть вода, и если очистить ее от глинистых минералов, то ее вполне можно использовать для утоления жажды будущих космических путешественников.
«Помимо научной составляющей, серьезной целью в будущем будет добыча там полезных ископаемых», — отметил Грин. «Материалы добытые космосе будут использоваться для дальнейшего изучения».
Ученые часто задаются вопросом, каким образом разного рода металлы попали на астероиды? Считается, что по мере своего формирования астероиды и другие небольшие миры собирали тяжелые элементы, «выкованные» миллиарды лет назад. Железо и никель, обнаруженные в астероидах, были получены из предыдущего поколения звезд и участвовали в формировании Солнечной системы.
Кроме того, астероиды содержат и самые тяжелые металлы, образовавшиеся от взрывов звезд — сверхновых. Гибель массивной звезды, которая способна привести к формированию черной дыры, распространяет в космическом пространстве элементы гораздо более тяжелые, чем водород и гелий — это такие металлы золото, серебро и платина. Другой вид катаклизма — столкновение остатков сверхновых, так называемых нейтронных звезд также способствует распространению этих металлов. Это говорит о том, что обнаружение таких металлов на астероидах свидетельствует о наличии в прошлом подобных катастрофических событий в заданном регионе.
Таким образом, изучение и понимание космических тел относительно малой массы, таких как астероиды, крайне важно для понимания структуры и истории формирования более крупных объектов, таких как планеты и звезды. Собирая по крупицам информацию с малых миров, ученые планируют понять не только ценные аспекты прошлого Солнечной системы, но и, возможно, заглянуть в будущее и, при необходимости, изменить ход событий, например для того, чтобы предотвратить глобальную катастрофу.
Автор: Elizabeth Landau
Редакция и перевод: Колупаев Дмитрий
Источник: NASA
