Временная луна

Сколько естественных спутников у нашей планеты? Казалось бы, ответ очевиден: один, и это всем хорошо известная Луна. Однако современные наблюдения показывают, что так бывает не всегда: время от времени в пределы Солнечной системы попадают уникальные астероиды, способные на время стать еще одним квазиспутником Земли. Один такой астероид побывал у нас в гостях совсем недавно. Подробнее об этом по просьбе N + 1 рассказывает астроном Леонид Еленин.

15 февраля 2020 года в рамках Обзора Каталина с помощью 1,5-метрового телескопа, установленного на Маунт Леммон в штате Аризона (США), был открыт необычный околоземный астероид.

Уже по первым примерным орбитам нового объекта, относящегося к самому многочисленному из семейств околоземных астероидов — семейству Амура, астрономы определили, что он может оказаться временным естественным спутником (или квазиспутником) нашей планеты.

Задача трех тел

Астероид, впоследствии получивший рабочее обозначение 2020 CD3, совершил тесное сближение с Землей 13 февраля и был обнаружен уже на отлетной траектории. Сближение было неординарным.

Во-первых, астероид прошел всего в 40,7 тысячи километров от поверхности Земли, то есть чуть выше геостационарных спутников, над южным побережьем Африки. Во-вторых, это было экстремально низкоэнергетическое сближение.

В момент открытия 2020 CD3 имел скорость относительно Земли всего 1,5 километра в секунду! Напомним, что вторая космическая скорость для Земли составляет 11,2 километра в секунду — именно она позволяет объекту преодолевать притяжение планеты.

Объект, движущийся с такой низкой радиальной скоростью, должен находиться на замкнутой геоцентрической орбите, а точнее — орбите вокруг центра системы Земля-Луна. Таким образом, у Земли, пусть и на непродолжительное время, появился новый крохотный естественный спутник размером от одного до трех метров.

Да, Земля и Луна — это двойная система, пусть масса одного ее компонента в 80 раз больше массы другого. Это, безусловно, много, и Земля в этом тандеме доминирует, но и гравитационное влияние Луны сбрасывать со счетов тоже нельзя — в отличие, например, от планетарных систем Юпитера и Сатурна. (Для краткости дальше, говоря об обращении вокруг этой двойной системы, мы будем называть ее просто Землей.)

Как будет вести себя астероид, «пойманный» гравитационным полем такой системы? Можем ли мы понять, останется он с нами или нет? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо решить стандартную задачу трех тел.

Тройная система нестабильна, и меньший из ее компонентов, совершающий хаотичное движение вокруг ее центра масс, в итоге либо столкнется с одним из компонентов, либо, что более вероятно, будет выброшен из нее.

Из этого правила, конечно, имеются исключения: например, у Марса есть два спутника, и хотя рано или поздно они будут разрушены гравитацией планеты, сейчас эта система выглядит стабильно. В чем принципиальное отличие этой системы от Земли? В ней доминирует гравитация Марса, а оба его спутника обладают настолько малыми массами, что не «чувствуют» друг друга.

Есть даже еще более яркий пример двойной планеты — Плутон со своим спутником Хароном, однако они не образуют с внешними астероидами тройной системы. Дело в том, что внешние спутники обращаются достаточно далеко, и для них Плутон и Харон «выглядят» единым объектом. Кроме того, Плутон не захватывал свои спутники, как Земля не захватывала Луну.

Легко ли планете обзавестись спутником, если это прилетевший извне астероид? Здесь можно предложить такую аналогию. Человек не может поймать в сеть пулю — потому что ее скорость (кинетическая энергия) слишком велика. Он не может поймать сетью кита — потому что масса кита в десятки раз превышает его собственную. Человек может набросить сеть на птицу, но после этого надо будет ее удержать.

Так и с астероидами. Земля не в состоянии «поймать» ни высокоэнергетический, ни слишком массивный объект. Она может «поймать» лишь крошечный объект с небольшой энергией, но для этого ей необходимо погасить его скорость и максимально быстро перевести пришельца на стабильную околокруговую орбиту.

Но на это у Земли обычно не хватает массы. Как мы видим на рисунке ниже, после гравитационного захвата астероид движется по хаотичной орбите, отличающейся высоким эксцентриситетом. Земле не удается его «успокоить», и объект «вырывается» на свободу.

Редкие гости

Квазиспутники Земли — достаточно редкое открытие. 2020 CD3 всего лишь второй обнаруженный объект подобного типа. Первым был астероид 2006 RH120, захваченный в 2006 году, но уже в 2007 году вновь выброшенный на гелиоцентрическую орбиту.

Примечательно, что первый астероид, как и 2020 CD3, был открыт той же самой обсерваторией на Маунт Леммон. 2006 RH120 тоже относится к Амурам, но он был крупнее нынешнего — от 4 до 10 метров в диаметре.

В 2012 году скандинавский астрофизик Микаэль Гравник вместе с коллегами опубликовал статью, завершавшуюся выводом о том, что вокруг Земли в каждый момент времени обращается хотя бы один квазиспутник метрового размера. Но почему же мы не открываем такие объекты регулярно и массово?

Все дело в их размере, а значит, и в блеске (яркости). Текущие обзорные телескопы могут зафиксировать такие объекты лишь на небольшом расстоянии, при их тесном сближении с Землей. И то, если геометрическая конфигурация этого сближения позволит наблюдать такой объект. Окно детектирования может иметь ширину лишь в несколько суток.

К примеру, 2020 CD3 по своему блеску мог быть обнаружен крупными поисковыми телескопами за сутки до сближения, но так как обзорные системы не покрывают всю доступную небесную сферу за одну ночь, то объект обнаружили лишь 15 февраля при блеске 20m уже на отлетной траектории. В сущности, нам повезло — еще сутки, и 2020 CD3 так бы и исчез не обнаруженным.

Астрофизики возлагают надежды на новые обзорные телескопы, которые планируется ввести в строй. Один из них — Большой синоптический обзорный телескоп (LSST) — в настоящее время строится в Чили.

Итак, что же нам известно об эволюции орбиты астероида 2020 CD3? На сегодня наблюдательная дуга, то есть временной интервал между его первым и последним измерением, равна 12 суткам. Официальная орбита 2020 CD3 построена Центром малых планет (Minor Planet Center) пока лишь по части измерений, полученных с 15 по 21 февраля.

Исходя из этого мы будем опираться на собственные расчеты. 12 суток это немного, поэтому мы можем делать достоверные прогнозы эволюции орбиты лишь на достаточно небольшом интервале времени. Общий вид «сверху» движения 2020 CD3 в системе Земля-Луна мы уже видели на рисунке выше.

Пока можно уверенно сказать, что всю вторую половину 2019 года 2020 CD3 был на замкнутой геоцентрической орбите, периодически сближаясь с Землей.

Как раз на выходе из последнего и самого тесного сближения астероид и был обнаружен. Это сближение, как заправский гравитационный маневр космического аппарата в поле тяготения Земли, разогнал астероид, и как из пращи, выбросил в открытый космос.

Формально 2020 CD3 «разомкнет» свою орбиту (то есть эксцентриситет его орбиты относительно Земли превысит 1) в середине мая. После этого астероид продолжит свой полет уже по гелиоцентрической орбите.

Обстоятельства и время самого захвата 2020 CD3 пока не установлены. Возможно, хотя уже и маловероятно (блеск 2020 CD3 уже перевалил за 23m), что астрономы смогут получить дополнительные измерения и расширить наблюдательную дугу.

Если этого не произойдет — придется работать с тем, что есть. К примеру, в настоящий момент при моделировании орбиты «назад» на несколько лет видно ее расхождение с наблюдательными данными, полученными при сближении в феврале 2020 года.

Но не все потеряно! В случаях, когда орбита исследуемого объекта плохо определена, можно использовать целый рой подобных орбит, построенных на основании основной (номинальной). Тем самым мы сможем статистически дать ответы на некоторые вопросы.

Друзья и знакомые кролика

Помимо время от времени попадающих к нам квазиспутников, Земля и Луна гравитационно удерживают два объекта — малые пылевые облака, находящиеся в так называемых точках Лагранжа L4 и L5 нашей двойной планетарной системы. Впервые эти объекты были обнаружены польским ученым Казимежем Кордылевским в 1956 году.

Облака Кордылевского компактны и, в отличие от протяженных эклиптических облаков космической пыли, дающих зодиакальный свет, не видны невооруженным глазом, поскольку из-за своего размера и плотности отражают очень мало света. Точное подтверждение наличия этих объектов было получено лишь в 2018 году с помощью зафиксированной поляризации света, проходящего сквозь них.

Бывает еще одна группа объектов, постоянно сопровождающих планеты, но не вращающихся вокруг них. Это, так называемые «троянские» астероиды, самая большая популяция которых принадлежит Юпитеру.

Эти объекты обращаются по гелиоцентрической орбите (вокруг Солнца), как и сами планеты, но не являются их спутниками. Они движутся на схожей с планетой орбите (в резонансе 1:1), но отстоят от нее на ±60 градусов, «заполняя» области гравитационного равновесия планеты и Солнца.

Такие области есть у любого тела, и они располагаются вокруг Лагранжевых точек L4 и L5. Причем чем массивнее тело, тем эта область пространства больше и, соответственно, больше и число «троянцев».

У Юпитера подобных астероидов более 7500, и все они именуются в честь героев легендарной Троянской войны. Астероиды, населяющие область L4, представлены «греками», а L5 — «троянцами» и их союзниками.

Есть такой объект и у Земли — астероид 2010 TK7, открытый орбитальным телескопом WISE в 2010 году. Получается, что «троянцы» Земли — еще более уникальные объекты, чем квазиспутники. Конечно, с запуском новых обзорных систем будут открыты новые интересные околоземные объекты и расширены наши знания о формировании, строении и эволюции Солнечной системы.

Леонид Еленин