Небесное тело алмазной формы

Девятнадцатого марта в журнале Nature вышло сразу несколько статей, посвященных анализу данных, собранных автоматической межпланетной станцией OSIRIS-REx (Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer) за полгода работы вблизи небольшого околоземного астероида (101955) Бенну. Редакция N + 1 решила разобраться, о чем поведал ученым этот темный представитель малых тел Солнечной системы, форма которого похожа на алмаз.

Несмотря на то, что основная цель миссии — взять пробу грунта с поверхности Бенну и доставить его на Землю, научная программа по дистанционному изучению астероида, рассчитанная на два года, имеет не меньшее значение. В нее входит определение характеристик Бенну (таких как форма, масса, плотность, состав и морфология поверхности, ее тепловые и фотометрические свойства) и сравнение этих данных с результатами наземных наблюдений, а также с результатами, полученными другими исследовательскими миссиями, например японской «Хаябусой-2», изучающей астероид Рюгу.

Все это поможет не только разобраться в различиях между разными типами астероидов, но и понять, как они образовались в ранней Солнечной системе и эволюционировали на протяжении многих миллионов лет.

До прибытия OSIRIS-Rex набор известных фактов о Бенну включал в себя немногое. Это околоземный углеродистый астероид диаметром примерно 500 метров, входящий в группу Аполлонов и относящийся к спектральному классу В. Он совершает один оборот вокруг Солнца за 1,2 года, двигается по орбите, пересекающей орбиты Земли и Марса, и относится к потенциально опасным объектам.

Зато теперь мы знаем о Бенну и его параметрах гораздо больше.

Портрет астероида

Внешне Бенну похож на волчок или необработанный алмаз. Средний диаметр астероида оценивается в 490 метров, в полярных областях он у́же, а шире всего в экваториальной области, где расположен кольцевой хребет. Объем Бенну составляет 0,0615 кубического километра, а общая площадь поверхности оценивается в 0,782 квадратного километра, так что астероид прекрасно поместился бы в центре Москвы, не заняв слишком много места.

Если сравнивать Бенну с другими астероидами, к которым летали межпланетные станции, то его объем в 3,5 раза больше, чем у астероида (25143) Итокава, и в шесть раз меньше, чем у астероида (162173) Рюгу.

В августе прошлого года, когда OSIRIS-REx только подлетал к Бенну, была начата кампания по изучению его окрестностей. Астрономы при помощи бортовых камер искали пылевые шлейфы, связанные с процессами дегазации веществ в поверхностном слое Бенну, а также его естественные спутники. Это было важно не только с точки зрения науки, но и для безопасности самой межпланетной станции, которой предстояло работать вблизи астероида.

По мере приближения к Бенну области поиска все больше сужались, а точность увеличивалась, но, тем не менее, не удалось обнаружить никаких объектов диаметром свыше 24 сантиметров в сфере Хилла, чей размер составляет 31 километр. Пылевых шлейфов, по состоянию на сентябрь 2018 года, также обнаружено не было, а верхний предел пылеобразования с поверхности астероида был оценен в 150 граммов в секунду, что является очень низким значением по сравнению с другими астероидами и кометами.

Однако кое-что запечатлеть все-таки удалось. В начале января 2019 года, когда станция работала на очень низкой орбите, всего в 1,61 километра от поверхности Бенну, ей впервые удалось наблюдать поток частиц, улетающих с поверхности астероида, а в течение следующих двух месяцев эти открытия повторились. Никакой опасности для аппарата эти частицы не представляют.

Оценка массы для Бенну составляет 7,329 × 10¹⁰ килограмма, он немного тяжелее Итокавы, но на порядок легче, чем Рюгу. Знание массы и объема дают нам возможность оценить плотность астероида, которая составляет 1190 килограмм на кубический метр и сравнима со средней плотностью астероида Рюгу.

Если учесть, что объемные плотности исследованных на Земле метеоритов типа CL- и CM-хондритов лежат в диапазоне от 1570 до 2200 килограммов на кубический метр, то можно прийти к выводу, что общая объемная пористость астероида составляет 50–60 процентов, что сравнимо с пористостью других углеродистых астероидов.

Это означает, что Бенну, как и Рюгу, представляет собой не монолитный объект, а «кучу щебня». О том же свидетельствует и небольшое смещение центра масс астероида. Предполагается, что в прошлом Бенну испытал столкновение с другим крупным небесным телом и прошел период вторичной аккреции, когда образовавшиеся в результате катаклизма обломки упали на его поверхность.

Были получены данные и о гравитационном поле астероида. Гравитационный параметр Бенну составляет 4,892 метра в кубе на секунду в квадрате, максимальное значение ускорения свободного падения вблизи поверхности достигается на полюсах (80 микрометров на секунду в квадрате), а минимальное — на экваторе (26 микрометров на секунду в квадрате). Таким образом, вещество на поверхности Бенну находится в микрогравитационной среде, где слабые силы сцепления частиц друг с другом сопоставимы с силами гравитации и трения.

На экваторе астероида валун с радиусом один метр будет оказывать на поверхность давление около 0,1 Паскаля (это в несколько раз меньше, чем давление, оказываемое на поверхность Земли листом бумаги формата А4), а чтобы покинуть астероид, частица на экваторе должна иметь скорость от 2 до 4 сантиметров в секунду.

Один оборот вокруг своей оси Бенну совершает за 4,27 часа, однако так будет не всегда. Оказалось, что период вращения Бенну сокращается примерно на одну секунду каждые сто лет, что объясняется эффектом Ярковского — О'Кифа — Радзиевского — Пэддэка, заключающимся в изменении скорости вращения астероида ассиметричной формы под действием солнечного излучения.

Это может привести к тому, что в течение нескольких миллионов лет скорость вращения астероида вырастет достаточно сильно для того, чтобы начался процесс его разрушения.

Благодаря OSIRIS-REx астрономы с большой точностью определили форму Бенну, способную многое рассказать о его строении и эволюции, а также построили карты рельефа и уклона поверхности в разных областях астероида. На нем наблюдаются четыре основных продольных хребта (два в северном полушарии, два в южном) в направлении север-юг и длинные линейные борозды, свидетельствующие о том, что Бенну, несмотря на свою пористость, обладает достаточной прочностью структуры.

Предполагается, что астероид, возможно, был близок к полному разрушению во время формирования экваториального пояса, который достаточно стар, судя по большому количеству покрывающих его ударных кратеров.

Если сравнить Бенну и Рюгу — два небесных тела, похожих по форме и типу, то окажется, что Рюгу обладает другим рельефом и не отличается такой же внутренней жесткостью. Это означает, что эволюция отдельных астероидов, даже похожих друг на друга размерами и типом, способна придать им совершенно разные свойства, формы и особенности рельефа. Получается, что подогнать подобные тела к единой эволюционной модели невозможно.

Царство камней и кратеров

При первом взгляде на поверхность Бенну в глаза бросается обилие валунов, кратеров и скал. Ее возраст оценивается от ста миллионов до одного миллиарда лет — в согласии с идеей о том, что небольшие околоземные астероиды имеют часто обновляемую поверхность из-за частых столкновений с другими телами, процессов, идущих под влиянием приливных сил или нагрева, и микрометеоритной бомбардировки.

Предполагается, что Бенну мог образоваться в другом месте (в Главном поясе астероидов), а в роли околоземного объекта существовать около десяти миллионов лет.

Размеры ударных кратеров на поверхности Бенну составляют от десяти до 150 метров и более, а сама поверхность усеяна более чем 200 валунами диаметром более 10 метров. Крупные валуны имеют размеры от 40 до 100 метров и, в основном, находятся вблизи полярных областей (это связано с миграцией мелких валунов и реголита к экваториальным областям). Существуют предположения, что самые большие валуны являются фрагментами родительского тела астероида.

Структура некоторых валунов похожа на ударные брекчии, что служит еще одним доказательством крупного столкновения Бенну с другим телом в прошлом и последовавшими за этим процессами вторичной аккреции. Многие из валунов покрыты трещинами, что свидетельствует об эрозии поверхности в течение длительного времени.

Бенну — один из самых темных объектов в Солнечной системе с общим геометрическим альбедо 4,4 процента (рекордсменом на текущий момент является астероид Рюгу). Наиболее темные области на его поверхности наблюдаются в южном полушарии и у нескольких групп валунов.

Спектроскопические данные, собранные аппаратом в инфракрасном диапазоне, свидетельствуют о наличии гидратированных минералов, таких как филлосиликаты, углистых хондритов CM-типа, а также магнетита в составе поверхностного слоя астероида.

Областей, покрытых реголитом, на Бенну не очень много — предполагается, что реголит образуется в ходе эрозии и разрушения валунов и скал. Частицы пыли крайне малы и могут быть связаны с поверхностью за счет электростатических сил, или же существуют механизмы постоянного возобновления запасов реголита, так как считалось, что на поверхности небольших тел, лишенных атмосферы, должны оставаться лишь достаточно крупные частицы пыли.

Малое количество мест, покрытых реголитом, осложняет задачу забора пробы грунта — из-за опасности столкновения пробоотборника станции с камнями и скалами. Тем не менее, команда миссии разработала план поиска подходящей площадки для забора грунта — диаметром не менее 50 метров с размерами зерен менее двух сантиметров. На текущий момент найдены всего четыре безопасных области с размерами от 5 до 20 метров.

Ожидается, что в начале июля 2020 года станция сблизится с поверхностью астероида и соберет с нее при помощи специального манипулятора 60 граммов пыли и фрагментов породы, после чего, в марте 2021 года, космический аппарат отправится к Земле и сбросит в атмосферу капсулу с грунтом в сентябре 2023 года.

Александр Войтюк