Астероиды, обращающиеся в Солнечной системе, демонстрируют модели движения, схожие с движением Земли, Венеры и Марса, и классифицируются как соорбитальные астероиды. Хотя их траектории не идентичны траекториям каменистых планет, эти небесные тела совершают оборот вокруг Солнца за одинаковое время.
Это состояние является результатом гравитационного явления, известного как орбитальный резонанс. В частности, в случае планет и их соорбитальных астероидов задействован резонанс типа 1:1, что означает, что они имеют очень схожую орбиту вокруг Солнца и почти одинаковый орбитальный период.
Исследование гравитационного взаимодействия
Исследование, проведенное Валериу Каррубой из Факультета инженерии и наук (FEG) Университета Unesp на кампусе Гуаратингуэта, проанализировало, как этот резонанс может взаимодействовать с другим гравитационным механизмом — механизмом фон Цейпеля–Лидова–Козаи (ZLK). Исследователи обнаружили, что это взаимодействие может способствовать защите некоторых из этих объектов от близких столкновений с планетами.
Работа под названием «Соорбитальные астероиды земных планет, затронутые механизмом фон Цейпеля–Лидова–Козаи» была опубликована в журнале Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy и получила премию CELMEC IX Prize. Эта премия присуждается лучшим оригинальным статьям, опубликованным в специальных сборниках данного журнала. Помимо исследования Каррубы, научный комитет выбрал еще две отмеченные наградами работы. Три победителя представят свои открытия на девятой Международной встрече по небесной механике (CELMEC IX), которая состоится с 14 по 18 сентября в Сан-Мартино-аль-Чимино, Италия, под организацией Итальянского общества небесной механики и астродинамики.
Карруба, координатор исследовательской группы MASB (Машинное обучение, примененное к малым телам), заявил, что признание является достижением как индивидуальным, так и групповым, выразив положительный удивление по поводу премии после публикации статьи.
Понимание концепции соорбитального астероида
Для лучшего понимания соорбитальный астероид можно представить как объект, который движется в синхронизации с определенной планетой, а не вращается независимо вокруг Солнца. Даже если их орбиты имеют разные формы и положения, оба совершают оборот вокруг звезды примерно за одинаковое время. Эта синхронность является результатом резонанса средней скорости 1:1.
Известным примером этого явления являются троянские астероиды Юпитера, о которых известно около 11 000. Они делят орбиту газового гиганта и образуют плотные скопления.
Однако исследование соорбитальных астероидов каменистых планет представляет дополнительные трудности из-за сочетания гравитационной стабильности и сложностей астрономических наблюдений.
Влияние массы планеты и точек Лагранжа
Первая проблема связана с массой планет, которая определяет силу их гравитационных «ловушек», называемых точками Лагранжа. Каждая планета имеет пять точек Лагранжа (L1, L2, L3, L4 и L5). Точки L1, L2 и L3 считаются нестабильными, в то время как L4 и L5 могут быть стабильными.
Планеты большой массы, такие как Юпитер и Нептун, обладают более обширными областями динамической стабильности, связанными с резонансом 1:1, что позволяет удерживать тысячи мелких тел в стабильных конфигурациях на протяжении миллиардов лет, включая те, которые связаны с точками L4 и L5.
У каменистых планет, из-за их меньшей массы, зоны стабильности резонанса 1:1 более ограничены, что делает соорбитальные тела более уязвимыми к гравитационным возмущениям остальной Солнечной системы.
Карруба отмечает, что космические телескопы направляются к точкам L1 и L2, но, будучи нестабильными, требуют постоянной коррекции. В отличие от них, объекты в точках L4 и L5 могут поддерживать свою орбиту гораздо более длительные периоды.
Ограничения астрономических наблюдений
Помимо сложности небесной механики, существует значительное наблюдательное ограничение для картирования этих астероидов. В то время как соорбитальные астероиды газовых гигантов можно увидеть ночью, соорбитальные астероиды Венеры и других внутренних планет пояса астероидов видны только тогда, когда они находятся очень близко к направлению Солнца на небе.
Эта близость к Солнцу затрудняет обнаружение этих камней, которые по своей природе малы и темны, из-за сияния Солнца и ограниченных окон наблюдения. Карруба указывает, что существует большая неточность в знании многих орбит, приводя пример Венеры как сложного случая, чьи астероиды можно наблюдать в среднем всего две недели каждые шесть лет.
Эта трудность приводит к численному дисбалансу: в то время как газовые гиганты имеют тысячи известных соорбитальных астероидов, общее число для каменистых планет не превышает нескольких десятков. В настоящее время Венера имеет 21 известный соорбитальный астероид, Земля — 54 (плюс 15 временных), а Марс, наиболее изученный среди каменистых, подтверждает 48 соорбитальных астероидов. Ни один соорбитальный астероид Меркурия не известен из-за его экстремальной близости к Солнцу.
Роль механизма фон Цейпеля–Лидова–Козаи (ZLK)
Основной целью исследования группы Каррубы было понять, что происходит, когда соорбитальные астероиды, уже находящиеся в резонансе 1:1, также демонстрируют динамику механизма фон Цейпеля–Лидова–Козаи (ZLK). Этот механизм описывает осцилляции наклона и эксцентриситета орбит, вызванные гравитационными возмущениями.
В симуляциях, учитывающих возмущения всех планет Солнечной системы и Луны, исследователи изучали, как эта динамика влияет на стабильность соорбитальных астероидов Венеры, Земли и Марса.
В то время как резонанс 1:1 поддерживает среднее движение синхронизированным, механизм ZLK может вызывать изменения в эксцентриситете и наклоне. Эксцентриситет измеряет отклонение орбиты от идеального круга (чем овальнее, тем выше эксцентриситет), а наклон относится к углу плоскости орбиты относительно опорной плоскости. Проще говоря, ZLK заставляет эти две характеристики осциллировать согласованно, подобно эффекту равновесия.
Другой важный аспект ZLK — ориентация орбиты. В нерезонансных ситуациях аргумент перигелия может непрерывно изменяться. Однако в состоянии ZLK этот угол может осциллировать или «прецессировать» вокруг определенных центров (0°, 90°, 180° и 270°), ограничивая геометрию орбиты и, в определенных конфигурациях, предотвращая приближение астероида слишком близко к планете, тем самым способствуя его стабильности.
Карруба объясняет, что изучение этой сложной динамики жизненно важно, поскольку многие из этих соорбитальных объектов чрезвычайно нестабильны и демонстрируют непредсказуемое поведение; небольшие погрешности траектории могут привести к большим различиям всего за 150 лет.
Поиск понимания этих неопределенностей актуален для космических агентств, таких как ЕКА и НАСА, которые картируют потенциально опасные астероиды. Исследователь отмечает, что многие астероиды теряются, меняют конфигурацию или покидают область, а нестабильность затрудняет прогнозирование нового пути.
Приведенный пример — астероид 2025 TV10, идентифицированный как новый соорбитальный астероид Венеры. Его орбита находится близко к области минимального пересечения орбитальных расстояний с Землей, что предполагает потенциальные сближения на протяжении тысячелетий. Карруба подчеркивает, что, хотя это динамически интересный объект, заслуживающий мониторинга, он очень мал и, вероятно, будет разрушен при атмосферном ударе.
Исследование показало, что механизм ZLK может стабилизировать некоторые орбиты, предлагая способ «защитить» астероиды от близких встреч. Среди соорбитальных астероидов Земли в устойчивых состояниях ZLK (с прецессией при 0° и 180°) близкие встречи во время анализа не наблюдались, в отличие от нерезонансной выборки. Симуляции были расширены до 100 тысяч лет для проверки этого защитного эффекта.
Результаты показывают, что в состояниях ZLK резонанс придает порядок системе, которая в противном случае была бы хаотичной. При определенных обстоятельствах сама осцилляционная динамика помогает отвести астероид от близких встреч, которые могли бы резко изменить его траекторию.
Что касается Венеры, исследователи еще не идентифицировали известных соорбитальных астероидов в устойчивом состоянии ZLK, но Карруба предупреждает, что это может быть наблюдательным ограничением, оставляя часть венерианских соорбитальных астероидов, особенно с меньшей эксцентриситетностью, неизвестными.
На Марсе ситуация иная: только один объект, 2017 XG62, идентифицирован в устойчивом состоянии ZLK. Хотя высокие наклонения могут увеличить нестабильность других марсианских соорбитальных астероидов, 2017 XG62 остается в конфигурации, которая защищает его от близких встреч с другими каменистыми планетами.
