Near-earth asteroids population

Толық мәтін

Введение. Исследование движения астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), является актуальной задачей по целому ряду причин, основной из которых является проблема астероидной опасности. К данной популяции относят объекты, перигелийное расстояние q которых не превышает 1,3 а. е. [1]. Первый астероид вблизи Земли был открыт 13 августа 1898 г. Густавом Виттом в обсерватории Урания в Берлине. Это был 433 Эрос, астероид размером менее 25 км. В год открытия он прошел на расстоянии 22 млн км от Земли [2]. Однако долгое время численность популяции известных АСЗ была весьма незначительна. Например, к 1983 г. число таких объектов едва достигало 80 [3]. Ситуация существенно изменилась в конце XX века, когда благодаря развитию наблюдательной техники и новым астрономическим научным программам число открываемых АСЗ существенно увеличилось. Общие сведения о популяции астероидов, сближающихся с Землей. В настоящее время созданы и постоянно обновляются различные каталоги астероидов. Одна из наиболее полных и широко используемых во многих работах электронная версия каталога всех астероидов принадлежит Э. Боуэллу [4]. Каталог содержит высокоточные оскулирующие элементы орбит, данные об интервалах и количестве наблюдений, использованных при улучшении орбит, а также возможные эфемеридные неопределенности. На 22 сентября 2014 г. каталог содержал данные о 655843 астероидах, в том числе 11418 АСЗ. Для сравнения, до начала 90-х годов число известных АСЗ едва достигало 150, в 1995 г. их уже было известно 350, в мае 1998 г. - 502 [5]. Большие полуоси орбит a почти всех известных к настоящему времени АСЗ заключены в интервале от 0,55 (2007 EB26) до 20,31 а. е. (2014 PP69), при этом большие полуоси орбит 99,7 % астероидов расположены в пределах от 0,9 до 3,6 а. е. (рис. 1, а). 30 АСЗ имеют большие полуоси больше 3,6 а. е., из них 5 -больше 10 а. е. Исключением является орбита астероида 2009 DQ33, большая полуось которой составляет 66,1 а. е. (рис. 2). В проекции на плоскость эклиптики данный объект пересекает орбиты всех больших планет от Земли до Нептуна. Эксцентриситет его орбиты e = 0,985, наклонение к плоскости эклиптики i = 8,7°. Однако следует заметить, что рассматриваемый астероид наблюдался на интервале всего 8 суток в феврале 2009 г., что говорит о большой неопределенности его орбиты. Вполне вероятно, что после появления новых наблюдений значения элементов орбиты существенно изменятся. Проблема заключается в том, что в настоящее время астероид стремительно удаляется от Земли, в 2013 г. он пересек орбиту Сатурна. Если судить по известным элементам орбиты, то в следующий раз он появится в окрестности Земли только в середине текущего тысячелетия, т. е. данный объект можно фактически считать потерянным. N 800 -і 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 I е б Рис. 1. Распределение АСЗ по большой полуоси a (а) и эксцентриситету e (б): N - число астероидов Распределение АСЗ по эксцентриситету и наклонению приведено на рис. 1, б и 3, а соответственно. Эксцентриситеты АСЗ заключены в интервале от 0,0032 (2011 WK2) до 0,9855 (2009 DQ33). Максимум в распределении эксцентриситетов наблюдается в промежутке от 0,3 до 0,6, такие эксцентриситеты имеют орбиты 59 % АСЗ. Наклонения большинства АСЗ расположены в пределах от 0,021 (2004 FH) до 75,40° (2012 FZ23) (рис. 3, а). 57 % АСЗ принадлежат к сферической подсистеме (i > 8°). Отдельного внимания заслуживают астероиды 2007 VA85 и 343158 2009 HC82 (рис. 4), которые имеют наклонения 132° и 154°, 34 Математика, механика, информатика соответственно, т. е. движутся в обратную сторону по отношению к Земле и другим объектам Солнечной системы. ГП~П О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 С N 1600 ■ 1200 ■ 800 ■ 400- 0 I Ч Ч 1 I Ч 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I Ч 1 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 и б Рис. 3. Распределение АСЗ по наклонению i (а) и абсолютной звездной величине H (б): N - число астероидов -- . б Рис. 2. Проекция орбиты астероида 2009 DQ33 на плоскость эклиптики в различных масштабах Рис. 4. Проекция орбит астероидов 2007 VA85 (а) и 343158 2009 HC82 (б) на плоскость, перпендикулярную плоскости эклиптики а а 35 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) Абсолютные звездные величины H известных АСЗ заключены в пределах от 9,45 (1036 Ganimed) до 33,24 (2008 TS26). Самым крупным из известных АСЗ является 1036 Ganimed диаметром 31,7 км. Немного ему уступает первый открытый объект этого класса 433 Eros с размерами 34,4*11,2x11,2 км. Согласно данным центра малых планет (http://www.minorplanetcenter. net) в настоящее время известно 863 АСЗ с диаметром больше 1 км. Определить нижнюю границу размеров известных АСЗ гораздо сложнее, так как характеристики слабых объектов известны плохо. Для получения примерных оценок воспользуемся формулой, приведенной в работе [6]: D = 1329-10- (1) в работе [9], популяция АСЗ размером порядка 100 м насчитывает около 20 тыс. объектов, а 20 м (т. е. соизмеримых с прародителем челябинского метеорита) -несколько миллионов. Следует отметить, что в истории человечества было всего два случая заранее предсказанного столкновения небесного тела с Землей: 2008 TC3, который столкнулся с Землей в октябре 2008 г. [11; 12], и первый открытый в 2014 г. астероид 2014 AA. где pV - альбедо астероида; H - абсолютная звездная величина; D - диаметр, км. Предполагая среднее альбедо 0,14 для популяции АСЗ [7] (Mainzer [et al.]. 2011), получим, что диаметр самых слабых известных объектов составляет порядка 1 м. Однако следует понимать, что данная граница обусловлена возможностями современной наблюдательной техники, более того такие объекты открываются только во время сближения с Землей. С другой стороны, возникает терминологический вопрос, относить ли настолько мелкие объекты к классу астероидов или метеороидов [8]. Видимо в связи с отсутствием четкого определения астероида и сложностями с вычислением размера вновь открытых объектов, их традиционно вносят в астероидные каталоги. Логично предположить, что чем меньше размер объекта, тем больше таких тел должно быть в Солнечной системе. Рис. 3, б позволяет сделать вывод, что в настоящее время открыты почти все АСЗ ярче 20 абсолютной звездной величины, т. е. больше 330 м. Данный вывод подтверждается результатами, приведенными в работе [9]. На рис. 5 показано положение всех известных АСЗ на 31 августа 2014 г. в проекции на плоскость эклиптики. Из рис. 5 видно плотное заполнение пространства в окрестности Земли астероидами. Классификация астероидов, сближающихся с Землей. По размерам и степени опасности АСЗ можно разделить на три класса: - крупные объекты, диаметр которых превышает 1 км; встреча Земли с таким объектом может вызвать глобальную катастрофу; - астероиды средних размеров; к этому классу относятся объекты с диаметром от 100 м до 1 км; эти объекты способны вызвать катастрофы регионального масштаба; - мелкие астероиды размером 10-100 м, столкновение с которыми приводит к локальным разрушениям. Данная классификация позволяет сделать неутешительный вывод, что в настоящее время нам известны даже далеко не все астероиды, способные вызвать региональную катастрофу, не говоря уж о локальной. Челябинское событие 2013 г. [10] наглядно продемонстрировало этот факт. Согласно оценкам, приведенным Рис. 5. Положение всех АСЗ в проекции на плоскость эклиптики на 31.08.2014 Из АСЗ выделяется группа потенциально опасных для Земли астероидов. В эту группу включают АСЗ, абсолютная звездная величина которых не больше 22m и минимальное расстояние между орбитами объекта и Земли не больше 0,05 а. е. Первым потенциально опасным астероидом стал 4179 Тутатис, который был открыт 4 января 1989 года французским астрономом Кристианом Полля. На 9 сентября 2014 г. по сведениям NASA известно 1500 потенциально опасных астероидов (http://neo.jpl.nasa.gov/orbits/), порядка 140 из них имеют диаметр больше 1 км, т. е. при столкновении способны вызвать глобальную катастрофу. Самым крупным из известных потенциально опасных астероидов является 3122 Florence, размером около 4,9 км. Следующее сближение с Землей данного объекта ожидается 1 сентября 2017 г., когда он пройдет на расстоянии 0,04723 а. е. (7 млн км) от центра Земли. Что касается нижней границы, то, как видно из приведенной выше формулы (1), звездная величина 22m примерно соответствует диаметру 130 м, что приводит к недооцениванию опасности, исходящей от меньших объектов [12]. По типу орбит популяция АСЗ традиционно делится на четыре класса, которые названы по имени своих наиболее ярких представителей: 36 Математика, механика, информатика - группа Амура, для которой 1,0167 а. е. < q < 1,3 а. е. Астероиды этой группы всегда находятся за пределами орбиты Земли; - группа Аполлона, для которой а > 1 а. е., q < 1,0167 а. е. Орбиты этих астероидов в проекции на плоскость эклиптики пересекают орбиту Земли; - группа Атона, для которой а < 1 a. e., Q > 0,983 а. е. Такие астероиды выходят за орбиту Земли только в окрестности афелия своей орбиты; - группа Атиры, для которой Q < 0,983 a. e. Эти астероиды постоянно находятся внутри орбиты Земли. На рис. 6 показаны проекции орбит типичных представителей данных классов на плоскость эклиптики. В табл. 1 приведены некоторые статистические данные о популяции АСЗ на сентябрь 2014 г. (верхняя строка) и на октябрь 2004 г. (нижняя строка), выбранные из каталога Боуэлла. Из табл. 1 видно, что число известных АСЗ за 10 лет увеличилось более чем в 3 раза, т. е. в среднем за это время каждый день обнаруживалось по два новых объекта. Однако с сожалением следует отметить, что процент нумерованных АСЗ (с хорошо определенной орбитой) увеличился незначительно и не превышает 15 %. Кроме того, табл. 1. показывает, что наибольшее число астероидов принадлежит классу Аполлона, наименьшее - Атиры. Скорее всего, этот факт связан не столько с реальным размером соответствующих популяций, сколько с наблюдательными возможностями. Наблюдения объектов типа Атиры возможны только в окрестности элонгаций, т. е. на небольшом интервале времени. Первый объект этого класса 163693 Atira был открыт только в 2003 г. Астероиды, проходящие через сферу тяготения Земли. Рассмотрим, какие астероиды в ближайшем будущем подойдут близко к Земле. Для данного исследования использовался программный комплекс «ИДА» [13], которой позволяет осуществлять высокоточное прогнозирование движения астероидов с использованием параллельных вычислений. Движение астероидов в данной работе рассматривается в рамках возмущенной задачи двух тел в гелиоцентрической системе координат, отнесенной к эклиптике и равноденствию 2000.0. В модель сил включены возмущения от больших планет, Луны, Плутона и трех крупных астероидов (Церера, Паллада, Веста). Начальные элементы орбит взяты из каталога Э. Боуэлла на эпоху 31 августа 2014 г. Уравнения движения интегрируются численно методом Эверхарта [14]. Таблица 1 Данные о популяции АСЗ Класс Амур Аполлон Атон Атира Всего Общее число 4408 1365 6132 1604 864 251 14 11418 3220 Нумерованные 657 191 878 189 141 24 2 1678 404 Рис. 6. Проекции орбит астероидов 1221 Amor (а), 1862 Apollo (б), 2062 Aten (в), 163693 Atira (г) и внутренних планет на плоскость эклиптики 37 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) В описываемом численном эксперименте интервал времени определялся фондом координат больших планет DE405 и составил 2014-2200 гг. В результате исследования выявлено 39 астероидов, проходящих через сферу тяготения Земли в ближайшие 185 лет (значение радиуса сферы тяготения Земли составляет примерно 254316 км). В табл. 2 представлены даты прохождения объектов через сферу тяготения, минимальные расстояния до центра Земли dmin, абсолютная звездная величина H и оценка диаметра D, полученная по формуле (1). Таблица 2 Перечень АСЗ, проходящих через сферу тяготения Земли в ближайшие 190 лет Окончание табл. 2 Объект Дата dmim км H D, м 2014 QN266 14.07.2168 255672 26 18 2008 HJ 04.05.2178 99294 26 24 2013 YJ48 25.12.2181 227781 26 20 2011 TQ8 03.10.2184 168650 25 42 2010 FN 25.03.2190 145460 27 16 2014 GQ17 11.06.2197 74671 27 13 Как видно из табл. 2, два объекта из 39 дважды проходят через сферу тяготения: 2012 HG2 в 2047 и 2083 гг. и 2013 GM3 в 2026 и 2109 гг. 2014 RA, 2014 RC и 2014 SG1 уже прошли через эту сферу, причем они были открыты во время тесного сближения. Следующее сближение нас ожидает в октябре 2017 г., когда 17-ти метровый астероид 2012 TC4 пройдет на расстоянии 78 тыс. км от геоцентра. Первенство по минимальному расстоянию до Земли по-прежнему удерживает легендарный Апофис [15-17], который в 2029 г. пройдет на расстоянии порядка 38 тыс. км. Однако следует отметить, что всего два объекта являются нумерованными: 99942 Apophis и 153814 2001 WN5. Учитывая, что данные результаты получены только по номинальным орбитам, для уточнения полученной информации требуется исследование вероятностной орбитальной эволюции. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что только астероиды 153814 2001 WN5, 99942 Apophis, 2007 YV56 и 2011 JA являются потенциально опасными. Максимальным является 495-ти метровый 153814 2001 WN5, который в июне 2028 г. пройдет на расстоянии 249 тыс. км от геоцентра. Однако в свете недавних событий [9] не следует пренебрегать и объектами меньшего размера. Заключение. Таким образом, в настоящее время известно более 11 тысяч астероидов, сближающихся с Землей, 863 из них имеют диаметр больше 1 км. Орбиты АСЗ отличаются большим разнообразием больших полуосей, эксцентриситетов и наклонений: от почти круговых до сильно эллиптичных, от лежащих практически в плоскости эклиптики до почти перпендикулярных ей. По типу орбит эти объекты подразделяются на классы Амура, Аполлона, Атона и Атиры. По размерам и степени опасности для Земли астероиды делятся на способные вызвать глобальную катастрофу (больше 1 км), региональную (от 100 до 1000 м) и локальную (до 100 м). К сожалению, в настоящее время относительно хорошо известны только астероиды первой группы. Отдельно выделяют подкласс потенциально опасных для Земли астероидов, таковых в настоящее время насчитывается 1500. На основании исследования номинальных орбит нами было выявлено 39 астероидов, которые в ближайшие 185 лет пройдут через сферу тяготения Земли. Четыре из них являются потенциально опасными и в случае столкновения могут вызвать катастрофу регионального масштаба. Объект Дата dmim км H D, м 2014 RA 31.08.2014 56746 29 6 2014 RC 07.09.2014 39893 27 15 2014 SG1 20.09.2014 79579 29 5 2012 TC4 12.10.2017 78306 27 17 2008 GY21 10.04.2018 248204 28 10 2006 QV89 09.09.2019 70653 25 30 2009 BF58 21.01.2022 102236 27 12 2013 GM3 14.04.2026 98118 26 19 153814 2001 WN5 26.06.2028 249053 18 495 99942 Apophis 13.04.2029 37557 19 330 2008 VB4 03.11.2033 174451 28 8 2014 HB177 06.05.2034 206584 28 8 2012 UE34 08.04.2041 107043 23 82 2012 HG2 13.02.2047 89615 27 13 2007 UD6 18.1002048 95036 28 7 2008 EZ7 09.03.2049 181485 27 13 2006 RH120 31.01.2060 147015 30 4 2008 US 21.10.2064 201910 32 2 2008 EL68 16.02.2065 140612 28 10 2010 VB1 07.01.2068 140049 23 74 2008 DB 10.02.2071 193538 26 25 2011 CH22 04.02.2074 100981 29 6 2012 HG2 21.07.2083 232477 27 14 2011 MD 15.06.2086 227647 28 9 2014 RS17 31.01.2090 133236 23 77 2007 YV56 02.01.2101 235924 21 213 2007 TX22 13.10.2101 107731 28 7 2009 FH 19.03.2104 105237 27 16 2013 GM3 17.04.2109 157872 26 19 2007 UW1 19.10.2129 127744 23 97 2012 KT42 31.05.2131 215182 29 6 2002 TY59 03.10.2138 188361 25 28 2011 JA 26.04.2145 233367 21 185 2007 UY1 13.02.2156 156900 23 89 2009 TH8 20.10.2164 119582 25 36 38 Математика, механика, информатика Библиографические ссылки

Авторлар туралы

Tatyana Galushina

Research institute of applied mathematics and mechanics of Tomsk State University

Email: volna@sibmail.com
Cand. Sc., Senior researcher, Research institute of applied mathematics and mechanics

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар