В 1989 году советские астрономы сделали вывод о наличии спутников у астероидов. Это открытие стало четвертым в истории астрономии и обозначило появление нового класса объектов в Солнечной системе. Оно пересмотрело существующие представления о формировании Луны, спутников других планет и самой системы в целом. Парадоксально, но об этом важном открытии советских астрономов почти никто не знает. Naked Science пытается исправить эту ситуацию и впервые публикует электронную копию работы, посвященной открытию двойных астероидов.
Сегодня принято считать, что в современном информационном обществе невозможно сохранить что-либо в тайне, даже важные государственные секреты, которые нередко можно найти в открытых источниках. Более того, по мнению многих, невозможно не увидеть то, что демонстрируют публично.
К сожалению, опыт свидетельствует об обратном. В 2012 году я столкнулся с интересной работой американского исследователя, из которой узнал, что воду на Луне открыли советские специалисты, анализировавшие образцы грунта спутника, доставленные оттуда «Луной-24».
Тогда он задумался: почему он узнает об этом, читая по-английски, а не по-русски? Ведь в теории, учитывая значимость открытия, отечественные научно-популярные ресурсы должны были рассказать ему о нем? Чтобы не тратить время на размышления, он предположил, что причиной стало недостаточно активное продвижение открытия его создателями. Однако последующие события показали, что ситуация оказалась гораздо сложнее, чем представлялось изначально.
Кто и когда открыл двойные астероиды?
К концу 1980-х годов советские научные учреждения, особенно в регионах, столкнулись с растущими проблемами в приобретении импортных материалов. Оплата высококачественных и специализированных фотопластин из Германии и США, требовавших валюты, становилась все более сложной, поскольку государство сокращало валютные ресурсы, выделяемые на научные исследования. Как отмечает Людмила Карачкина, один из наблюдателей Крымской обсерватории того времени, (ее письмо имеется в распоряжении NS),
«[Астрономические наблюдения прекратились. Мы пытались использовать устаревшее оборудование, однако полученные результаты оказались неудовлетворительными».
В связи с переходом к съемке на фотопластины, группа астрономов-наблюдателей под руководством Валентины Владимировны Прокофьевой-Михайловской начала использовать телевизионные наблюдения, включая наблюдения астероидов Главного пояса Солнечной системы, расположенного между орбитами Марса и Юпитера. Изначально группа Прокофьевой намеревалась установить периоды вращения этих астероидов.
Отражательная способность различных частей этих тел отличается, и повторяющийся отраженный астероидом свет, наблюдаемый через определенный промежуток времени, трактуется как его период вращения. Наблюдения за астероидом Сильвия, проведенные в Крымской астрофизической обсерватории с 26 апреля по 11 мая 1989 года, послужили основой для важного открытия.
Собранные данные требовали длительной интерпретации. Ею занимались В.В. Прокофьева-Михайловская и М.И. Демчик, на тот момент – студент. Анализ показал, что периоды вращения не всегда предсказуемы: кривые блеска демонстрировали более сложную динамику, чем предполагалось. Например, возникло предположение о наличии второго, меньшего астероида, вращающегося вокруг 87 Сильвия. Для частотного анализа фотометрических данных астероидов применялись алгоритмы, разработанные В.В. Прокофьевой-Михайловской.
Изменение цвета по мере вращения астероида также указывало на возможную «двойственность» его природы, то есть на то, что он, вероятно, состоит из двух тел. После длительной и тщательной работы над интерпретацией ситуации, Прокофьев и Демчик опубликовали две короткие статьи в «Кометном циркуляре» (который в то время выпускался в Киеве) и «Астрономическом циркуляре» (который продолжает выходить в Москве). В этих публикациях однозначно заявлялось: астероид 87 Сильвия является двойным. Сами тексты труднодоступны, поэтому мы включили их в виде иллюстраций.
Чтобы понять масштаб смелости обоих исследователей, важно учитывать контекст: речь идет о 1992 году. В то время астрономы рассматривали астероиды как строительный материал, остаток формирования планет Солнечной системы. Согласно преобладающим представлениям, у астероидов не могло быть собственных спутников. Существовавшие модели формирования спутников предполагали, что они возникают из протоспутниковых дисков, размеры которых были значительными лишь вокруг крупных планет-гигантов. Даже механизм появления Луны у Земли на тот момент оставался предметом дискуссий, не говоря уже об астероидах.
Многие ученые, занимающиеся наблюдениями и экспериментами, не решаются публиковать результаты, которые противоречат общепринятым теориям. В качестве примера можно вспомнить случай 1979 года в СССР: обнаружение воды в лунном грунте было освещено лишь в кратких статьях в журнале «Геохимия», однако в итоговые сборники, посвященные изучению лунного грунта, эта информация не вошла не включили.
Основная причина кроется в том, что ученые, как правило, очень бережно относятся к своей репутации. Публикация смелого заявления об открытии, которое впоследствии окажется несостоятельным, может нанести серьезный удар по профессиональному имиджу. Поэтому в истории науки немало примеров, когда исследователи совершали значимые открытия, но не решались их обнародовать. Например, Карл Гаусс долго размышлял над неевклидовой геометрией, но так и не рискнул сделать публикацию на эту тему.
Для того чтобы выдвинуть предположение о том, что астероиды могут состоять из двойных систем, требовалась значительная смелость, поскольку ранее существовали примеры резкой критики за саму идею наличия спутников у астероидов. 11 декабря 1978 года американские астрономы зарегистрировали «затмение» удаленной звезды, вызванное прохождением астероида Мельпомена между ней и Землей. Однако это «покрытие» оказалось не однократным, а прерывистым, что навело на мысль о наличии у Мельпомены не один, а несколько спутников.
Как писала в популярной работе в 1985 году советский исследователь Симоненко отметила: «Полученные результаты показались настолько неожиданными, что вызвали сомнения». Когда есть желание найти недостатки, всегда можно найти к чему придраться, и критики объяснили наблюдения ночной облачностью.
Симоненко полагала, что опасения астрономов относительно обнаружения спутников у астероидов были обоснованными. В соответствии с представлениями того времени, существование стабильных спутников у астероидов казалось крайне маловероятным, поскольку, как предполагалось, в относительно короткий период времени такой спутник либо должен был покинуть астероид, либо упал бы на него.
Несмотря на это, Прокофьева и Демчик, после многократных проверок, приняли решение опубликовать свои результаты в научных изданиях, тем самым закрепив за собой звание первых ученых, открыто заявивших об этом открытии. Как отмечает Людмила Карачкина: «Обнаружение двойных астероидов нашей телевизионной группой было случайностью, основанной на ряде закономерностей» – и это действительно так. Если бы открытие не было закономерным, Прокофьева и Демчик не стали бы рисковать своей научной репутацией, подтверждая однозначно: «Астероид 87 Сильвия – двойной«.
На Западе об этом не было известно в девяностые годы, и сегодня также маловероятно, что ситуация изменится. Советские научные публикации обычно не изучались на Западе, даже если они были переведены на английский язык.
Большинство ученых, как на Западе, так и в России, отслеживают лишь несколько научных журналов, посвященных их области, а также серверы с препринтами (которых в 1992 году, разумеется, еще не существовало). Обо всем остальном они, подобно остальным гражданам, узнают из научно-популярных публикаций – или не узнают.
В 1990-е годы в постсоветских обществах наблюдалось значительное снижение интереса к научно-популярной литературе. В условиях изменившихся приоритетов население мало обращало внимание на периодические издания, что отразилось в падении тиражей и снижении активности специалистов, работающих в этой сфере. Новые реалии требовали иных кумиров, зачастую из областей, отдаленных от науки, в частности – от астрономии. В результате, информация о сделанных открытиях осталась незамеченной не только на Западе, но и в постсоветском научном сообществе.
Между тем, это открытие имело огромное значение. До 1992 года в Солнечной системе было известно лишь четыре типа объектов: звезды (одна), планеты (восемь полноценных и множество карликовых), спутники планет (первые из которых были открыты Галилео Галилеем в 1609 году) и астероиды (обнаруженные в XIX веке). Если рассматривать транcнептуновые объекты как принципиально новый тип небесных тел, то к двум вышеупомянутым первооткрывателям можно добавить и Клайда Томбо, который в 1930 году открыл Плутон. Стоит отметить, что речь идет об очень уважаемых астрономах, причем последнее открытие было сделано 90 лет назад.
В 1992 году к этому перечню присоединились еще два открытия, обозначившие пятый, ранее неизвестный тип объектов Солнечной системы – спутники астероидов. Это открытие, как будет продемонстрировано далее, существенно пересмотрело взгляды астрономов на эволюцию нашей системы.
Ранее астрономы не верили в возможность существования спутников у астероидов?
Чтобы понять структуру Солнечной системы, необходимо знать, из каких компонентов она сформирована. Планетезимали, по сути астероиды, служили строительными блоками для планет. Поэтому астероиды, оставшиеся после формирования планет, долгое время рассматривались как неиспользованные строительные материалы. Естественно, свойства астероидов и планет различны, поэтому обнаружение спутников у астероидов было неожиданным.
Основное различие кроется в процессе формирования. Изначально, по мнению ученых, вещество в протопланетном диске вокруг молодого Солнца состояло из пыли и газа. Пылинки сталкивались, и в результате этих столкновений их средняя скорость снижалась, поскольку кинетическая энергия рассеивалась.
В результате этого столкновения пылинки все чаще не рассеивались в разные стороны, а начинали слипаться, формируя всё более массивные объекты. Достигнув километрового диаметра, гравитация этих тел стала достаточно сильной, чтобы они начали притягивать друг друга, а не только хаотично сталкиваться с находящимися поблизости объектами.
Километровые и более тела называют планетезималями – протопланеты, достигшие 100 километров в диаметре, считаются «зародышами» будущих планет. В результате столкновений этих зародышей сформировались планеты. Среди них были гигантские, богатые легкими элементами – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их ядро состояло из плотных пород, а внешняя оболочка содержала большое количество газа и льда. Другие планеты, расположенные ближе к Солнцу, образовались из протопланет с недостаточным содержанием легких и летучих веществ.
Существует всего три основных механизма формирования спутников в рамках данной модели. Прежде всего, они могут возникать из протопланетных дисков, которые впоследствии стали основой для газовых гигантов. Во-вторых, спутники могут быть результатом обломков, образовавшихся в ходе столкновений на орбитах вокруг небольших, скалистых планет, гравитация которых не позволяла сформироваться крупным спутникам из их протопланетных дисков – хотя, например, Луна явно является исключением для Земли. В-третьих, некоторые спутники могут быть захвачены извне – это могут быть астероиды (как Фобос и Деймос у Марса) или карликовые планеты (например, Тритон у Нептуна).
Обнаружение «захваченных» планетных спутников нередко возможно благодаря их «нетипичной» орбите. В случае, если планета и спутник образовались из единого протопланетного облака, их вращение должно осуществляться в одном направлении – в соответствии с вращением этого самого облака в прошлом. Однако Тритон вращается в направлении, противоположном вращению Нептуна.
Долгое время в астрономии преобладало убеждение, что спутники формируются либо в процессе создания планет, либо за счет гравитационного захвата пролетающих мимо них астероидов.
Для астероидных спутников такая схема была практически невозможна. Вероятно, они не подвергались тем же эволюционным процессам, что и планеты в ходе своего формирования. В отличие от газовых гигантов, у них не было выраженного протоспутникового диска.
Поскольку гравитация типичного астероида значительно слабее земной – в десятки, сотни и даже тысячи раз, спутники не могли сформироваться в результате столкновений с другими астероидами. Даже Церера, самое крупное тело в поясе астероидов, не способна удержать обломки, выбитые с ее поверхности, если их скорость превышает 0,51 километра в секунду. В поясе астероидов средняя скорость соударений составляет около 5 километров в секунду. Следовательно, фрагменты, отколовшиеся от астероида в результате столкновения, должны улетать в космос, а не оставаться на орбите и образовывать спутники.
Почему эти спутники продолжают существовать, и какая связь между ними, Луной и Солнечной системой в целом?
Чтобы выяснить, как у астероидов могли образоваться спутники, Прокофьева-Михайловская и ее коллеги провели исследование в 1995 году выпустили статью («Спутники астероидов», Успехи физических наук) с попыткой оценки того, как же могли возникнуть спутники астероидов.
Изначально, в период формирования Солнечной системы, вокруг множества астероидов существовал тонкий протоспутниковый диск, вращавшийся в том же направлении, что и сами астероиды. Однако, этот диск не мог самостоятельно породить современные спутники малых планет, поскольку его масса значительно меньше, чем у обычного спутника астероида.
При столкновениях с астероидом других небольших тел, таких как астероиды и метеороиды, образовывались обломки. Некоторые из них выбрасывались в направлении вращения астероида и его протоспутнического диска. Те обломки, которые вылетали из астероида вопреки его вращению, теряли энергию при столкновении с протоспутническим диском – то есть их скорость уменьшалась, и они падали на астероид.
Обломки, движущиеся по ходу вращения протоспутникового диска, оказывались неспособными оперативно снижать скорость и возвращаться на астероид. Это происходило потому, что последующие волны обломков сталкивались с формирующимся спутником астероида, увеличивая его скорость и массу. В результате, спутник астероида увеличивался в размерах и постепенно удалялся от основного тела.
В подобных условиях на астероидах возможно два основных варианта развития событий с их спутниками. Если спутники будут непрерывно увеличивать свою массу, используя пыль и камни с поверхности астероида, то расстояние между ними и родительским телом со временем будет уменьшаться.
В итоге спутник аккуратно опустится на астероид, сформировав узнаваемую конструкцию, напоминающую «снеговика» – две сферы, где одна (изначально родительский астероид) немного больше другой (изначально спутник астероида). Альтернативный сценарий предполагает столкновение спутника с астероидом, в результате чего на его поверхности могут образоваться каньоны, подобные тем, что наблюдаются на Весте, расположенном в поясе астероидов (как показано на иллюстрации).
В качестве альтернативного варианта развития спутника – приливное ускорение. В этом процессе центральное тело прекращает вращение вокруг своей оси, передавая энергию спутнику посредством приливного ускорения. Такой сценарий знаком каждому из нас с детства, хотя мы и не всегда это понимаем: Луна замедляет вращение Земли, постепенно (и очень медленно) удаляясь от нашей планеты.
Авторы исследования, проведенного в 1995 году, указывают на значительное сходство процессов формирования спутников у астероидов и планет. Именно на основе этой теоретической концепции в 2007 году в «Известиях Крымской астрофизической обсерватории» появилась статья, описывающая формирование планет, работающих по аналогичному принципу.
Изучение того, как формируются спутники у астероидов и каменистых планет, пролило свет на происхождение спутников планет-гигантов, имеющих «ретроградное» вращение — например, Тритон у Нептуна. В отличие от предыдущих представлений, Тритон не был полностью захвачен гравитационным полем Нептуна; он сформировался, вращаясь вокруг планеты-гиганта.
Этот процесс был обусловлен взаимодействием астероидов, притягиваемых Нептуном, с остаточным протоспутниковым диском. Астероиды, движущиеся вокруг планеты по направлению прямого или обратного движения, сталкивались с частицами и газом, содержащимися в «прямом» протоспутниковом диске (то есть вращающемся в том же направлении, что и планета). Если захваченный астероид имел обратную орбиту, то его скорость суммировалась со скоростью частиц протоспутникового диска при столкновении. Это приводило к более эффективному торможению астероида по сравнению с ситуацией, когда его орбита была прямой,
Влияние гравитации Солнца способствует большей стабильности обратных орбит спутников газовых гигантов по сравнению с прямыми. При этом, чем дальше спутник находится от своей планеты, тем устойчивее оказывается обратная орбита. По словам физика Николая Горькавого, разработавшего модель формирования спутников посредством множественных столкновений астероидных обломков с протоспутниковым диском, это особенно заметно на примере спутников Сатурна и Нептуна.
Обратные спутники Сатурна, такие как Феба, обладают значительно большей массой по сравнению с обратными спутниками Юпитера, что указывает на более эффективный захват массы астероидов на обратных орбитах вокруг более удаленных планет. Среди спутников Нептуна большая часть массы сосредоточена в Тритоне – теле, превосходящем Плутон по размерам и вращающемся по обратной орбите вокруг Нептуна.
Существует тенденция: чем дальше планета находится от Солнца, тем более интенсивному воздействию астероидов она подвергалась в прошлом, и, как следствие, тем больше и массивнее образовались у нее обратные спутники. Обратные спутники Юпитера имеют меньшую массу по сравнению с обратными спутниками Сатурна, которые, в свою очередь, менее массивны, чем обратные спутники Нептуна
Обнаружение двойственности астероидов влечет за собой ряд важных практических последствий?
Из вышесказанного следует: обнаружение двойных астероидов перевернуло устоявшиеся взгляды на формирование спутников в Солнечной системе и, вероятно, в других звездных системах. Это позволило глубже понять процессы, приведшие к появлению Луны. Кроме того, такая модель указывает на то, что Луна – это не безводное тело, как считалось ранее.
Поскольку выясняется, что Селена образовалась не из расплавленных остатков Тейи и нашей планеты, а из «холодных», не расплавленных обломков Земли, то под ее поверхностью может содержаться значительное количество воды. И не только под ней: согласно последним данным, в полярных областях Луны находится не менее ста миллиардов тонн водного льда. Относительное содержание воды на Селене, в теории, уже представляет собой ценную практическую выгоду. Обладая этой информацией, можно планировать поиски водного льда в лавовых пещерах.
Существует и другой важный аспект. Астероиды представляют собой серьезную, а возможно, и наивысшую степень опасности для жизни на Земле. Согласно современным научным данным, именно столкновения с ними стали причиной, по крайней мере, одного вымирания динозавров и, возможно, более масштабного пермского вымирания.
По предварительным расчетам, спутники могут иметь 10% всех астероидов Солнечной системы, что указывает на то, что большинство спутников в нашей системе – это спутники астероидов. Устранение угрозы столкновения астероида с Землей представляется технически осуществимым, для чего может быть достаточно одной ракеты, оснащенной мощной термоядерной боеголовкой. Однако, если у такого астероида имеется спутник, особенно если он не был обнаружен вовремя, то после уничтожения основного тела он продолжит движение к нашей планете.
Каждый спутник, представляющий угрозу, является самостоятельным опасным астероидом. Коррекция траектории двойной системы потребует значительно больших усилий, чем одиночного тела, а для тройной системы – еще больше. Например, астероид Сильвия, спутник которого был обнаружен в Крымской обсерватории, после дополнительных наблюдений оказалось не двойной системой, а тройной – то есть, у него сразу два спутника-астероида, а не один.
Заинтересовывает возможность определения наличия у потенциально опасного астероида спутника и характеристик этого спутника. Это позволило бы, теоретически, изменить траекторию и астероида, и его спутника, используя один космический аппарат. Обычно астероиды не сталкиваются с нашей планетой напрямую. Чаще всего они сначала пролетают рядом с ней по эллиптической орбите, постепенно сокращая расстояние до столкновения.
Если аппарат-перехватчик столкнется с поверхностью спутника астероида за годы до возможного столкновения, изменив тем самым параметры его орбиты, то гравитационное воздействие спутника может скорректировать траекторию основного астероида, предотвратив столкновение, подобное тому, что показано на видео ниже.
Астрономам необходимо стремиться к заблаговременному обнаружению спутников у всех астероидов, представляющих потенциальную угрозу для Земли. Раннее выявление таких спутников крайне желательно.
Об опасности нераспространения знаний
Изучение двойных астероидов ознаменовало начало новой эры в астрономических исследованиях. Оно позволило установить, что спутники формируются по схожим, универсальным механизмам для различных небесных тел. Теперь стало возможным понять, как образовалась Луна, почему на ней присутствует вода, и что защита от астероидной опасности может оказаться более сложной задачей, чем предполагалось ранее. Кроме того, стало ясно, как возникли такие космические объекты, как «снеговики» в поясе Койпера (на фото выше), или необычные геологические образования, такие как ударные каньоны и кратеры-«снеговики» на астероидах Главного пояса. Все это – очевидные преимущества.
В описанной ситуации есть и недостатки. Важно учитывать, что на Западе полагают, что двойные астероиды были открыты миссией «Галилео», и не знакомы с теорией универсального механизма формирования спутников, разработанной на основе этого открытия. Там до сих пор придерживаются мнения, что Луна образовалась в результате столкновения с Тейей, а малые планеты, состоящие из льда, появились благодаря невероятному стечению обстоятельств.
Это не является чем-то экстраординарным. Ранее в тексте уже был приведен пример того, как советские данные о лунной воде игнорировались за рубежом. NS ранее отмечал аналогичную ситуацию в области археологии и антропологии: научные выводы, сделанные латиноамериканскими археологами, десятилетиями не принимались во внимание американскими коллегами, что замедлило развитие наших знаний о заселении Нового Света.
Отрицательным аспектом этого явления является значительная потеря времени ученых, которые вынуждены неоднократно повторять исследования, уже выполненные их предшественниками. Это допустимо, если речь идет, например, о первом открытии спутника астероида Сильвия, которое произошло в США в XXI веке. Однако более серьезной проблемой является неоправданные затраты времени на сложную теоретическую работу.
Вслед за работой физика Николая Горькавого от 2007 года об образовании двойных астероидов и Луны сходные по содержанию работы вышли в 2014 и 2015 годах – причем последняя на Западе. Однако авторами ее были израильские исследователи, поэтому в американской научной литературе по вопросу мультиимпактная теория образования Луны все еще никем не оспаривалась – с высокой долей вероятностью, все эти публикации там так и остались незамеченными большинством исследователей.
В настоящее время в США продолжают искать способы устранения противоречий в теории гигантского столкновения, объясняющей образование Луны, и пытаются объяснить, каким образом на ее поверхности сохранились легкие элементы, если ее формирование произошло из расплавленного материала. Оценить объем работы, проделанной исследователями в попытке обосновать эту гипотезу, устаревшую еще в 1990-х годах после открытия двойных астероидов, практически невозможно. Не менее сложно предсказать, когда эта ситуация разрешится и результаты давних исследований станут доступны ученым во всем мире.
Вина в этой ситуации лежит не только на западных астрономах, которые не всегда внимательно изучают научные публикации, выходящие в России. Как уже было сказано ранее, современная научная специализация предполагает, что ученые нередко узнают о новых работах в своей области из научно-популярных источников.
Следует отметить, что русскоязычная научно-популярная литература практически не освещала факт открытия двойных астероидов советскими астрономами. Также ей не удалось в достаточной мере рассказать о теоретических последствиях этого открытия для понимания истории Солнечной системы.
Когда Клайд Томбо, открывший Плутон, скончался в США, об этом активно освещала даже неспециализированная пресса. Когда в России в 2020 году умерла В.В. Прокофьева-Михайловская — насколько широко освещались события, связанные с ней, в прессе? Нельзя требовать от западного научного сообщества знания обо всех достижениях отечественной науки, поскольку в этом, в конечном счете, есть наша собственная вина.