Ученые Томского государственного университета изучили движение 1 408 астероидов, сближающихся с Землей и Юпитером. Они выяснили, что на орбиты этих объектов заметно влияет не только гравитация Солнца, планет и Луны, но и трех крупнейших астероидов Главного пояса — Цереры, Паллады и Весты. Для точного прогноза также оказались важны релятивистские эффекты вблизи Солнца, сжатие Солнца, а для объектов с известными параметрами — световое давление и эффект Ярковского. Результаты исследования помогут точнее рассчитывать вероятность столкновения астероидов с Землей.
Масштабное исследование начала группа астрономов физического факультета ТГУ под руководством доктора физико-математических наук, профессора кафедры астрономии и космической геодезии Татьяны Галушиной и сотрудники НИИ ПММ ТГУ. Результаты опубликованы в международном научном журнале Solar System Research (Q3, издательство Springer Nature).
Предварительно ученые составили список из 4 091 астероида, афелии орбит которых располагались на тот момент близко к орбите Юпитера. Путем численного отображения орбит этих астероидов в будущее и прошлое была построена их орбитальная эволюция и составлен перечень объектов, испытывающих сближения с Юпитером на рассматриваемом интервале времени.
Гигантская гравитация Юпитера способна резко изменить траекторию такого объекта, как астероид, и он может направиться уже в сторону нашей планеты. В этот список вошли 1 408 астероидов. По данным на момент начала исследования, они сами сближаются с Землей (их еще называют околоземными), а также регулярно подходят достаточно близко к Юпитеру.
Мы поставили перед собой задачу оценить, какие силы надо учитывать при исследовании движения астероидов, сближающихся с Землей и Юпитером. Набор оцениваемых факторов включает гравитационное влияние планет, Луны, Плутона, трех крупнейших астероидов Главного пояса — Цереры, Паллады и Весты, сжатие Солнца, Земли и Юпитера, а также релятивистские эффекты от Солнца, планет, Луны и Плутона,
— рассказывает Татьяна Галушина.
Релятивистские эффекты связаны с теорией Эйнштейна: массивные тела искривляют пространство-время, и такое искривление слегка изменяет траекторию астероида. Вблизи Солнца эта поправка становится заметной.
В результате численного моделирования выяснилось, что существенное влияние на динамику изучаемых объектов оказывает гравитационное влияние Солнца, планет и Луны, а также Цереры, Паллады и Весты. Кроме того, расчеты необходимо вести в рамках теории Эйнштейна, т.е. учитывать релятивистские эффекты от Солнца. Причем, Солнце мы рассматривали как эллипсоид, а не просто шар или точку. А для объектов с хорошо известными физическими параметрами необходимо принимать во внимание световое давление и эффект Ярковского,
— озвучивает выводы Татьяна Галушина.
Механизм этого эффекта таков: когда на астероиде день, его поверхность нагревается, а ночью остывает и переизлучает тепло. Это излучение действует как микроскопический реактивный двигатель, который за тысячи лет может заметно разогнать или притормозить космическое тело. Для пяти хорошо изученных астероидов томские ученые подтвердили, что эффект Ярковского обязательно нужно включать в модели движения.
Особое внимание ученые уделили негравитационным силам. В первую очередь, это световое давление — поток солнечных фотонов буквально толкает астероид. Для примерно половины объектов, чьи размеры и отражающая способность известны, этим эффектом пренебрегать нельзя. Необходимые данные нашлись для 113 объектов, и выяснилось, что примерно для половины из них влияние светового давления становится существенным.
Другой фактор — эффект Ярковского. Для остальных астероидов, чьи физические параметры пока неизвестны, исследователи применили специальную численную процедуру и в результате получили оценки эффекта Ярковского для всех 1 408 объектов из списка. Выяснилось, что для 71% объектов история наблюдений слишком короткая (меньше 300 суток) — их орбита определена неточно, и оценки пока могут быть завышены. Зато для астероидов, за которыми астрономы следят давно, полученные значения укладываются в теоретические рамки. Для 16 из них точность особенно высока — это нумерованные астероиды с хорошо изученными траекториями.
Чтобы перепроверить полученные данные, астрономы ТГУ использовали независимый аналитический метод, который подтвердил результаты для объектов с длительной историей наблюдений.
Практическая значимость работы связана, в первую очередь, с астероидной безопасностью. Чем точнее мы понимаем движение потенциально опасного объекта, тем лучше можем рассчитать вероятность и время его возможного столкновения с Землей. Во-вторых, это космические миссии. Когда исследователи отправляют зонд на астероид за грунтом (как это было с Бенну) или пытаются изменить его траекторию, учет даже слабых негравитационных сил становится критически важным.
Целью данного исследования был подбор оптимальной модели сил для изучения динамики астероидов, сближающихся с Землей и Юпитером. Теперь мы работаем над следующим этапом госзадания. Одна из его задач — получить оценки вероятности столкновения ряда астероидов с Землей,
— добавляет Татьяна Галушина.
Добавим, для обработки огромного массива данных (1 408 объектов, десятки возмущающих факторов) и автоматизации расчетов ученые ТГУ используют собственные программные комплексы. Один из них — ИДА (IDA), разработанный учеными ТГУ под руководством и при непосредственном участии Татьяны Галушиной. Эта программа позволяет моделировать движение астероидов с учетом сложной структуры возмущений и получать оценки ключевых параметров, включая эффект Ярковского. Кроме того, для автоматического поиска физических характеристик астероидов (размер, альбедо, ускорение) по базам данных NASA была написана специальная программа AstroScan, созданная студентом ФФ ТГУ с помощью ИИ в ходе работы над бакалаврской выпускной работой. Она автоматически формирует API-запросы к серверу NASA, фильтрует данные и оставляет нужную информацию. Результаты пользователь получает в текстовом формате и может сохранить их для дальнейшего использования.
Работа по изучению структуры возмущений орбит астероидов, сближающихся с Землей и Юпитером, выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ (тема № FSWM-2024-0005).
Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific
