07.01.2017

«Люси» в небесах и голое ядро

НАСА объявило результаты выбора космических миссий 2020-х годов по исследованию Солнечной системы в рамках «программы Дискавери» (Discovery Program). Из предложенных проектов решено реализовать два. Космический аппарат «Люси» (Lucy) посетит группу астероидов, расположенных на орбите Юпитера, а «Психе» (Psyche) отправится к астероиду Психея. Они станут тринадцатой и четырнадцатой миссиями, получившими поддержку в «программе Дискавери». Космические аппараты «Люси» и «Психе» опередили 26 других проектов. Победители получат 450 миллионов долларов на реализацию проектов, а также бонусное финансирование в случае, если в космических аппаратах будут использованы определенные технологии. «Люси» отправится в полет в октябре 2021 года, а «Психе» – в октябре 2023 года.

Свита Юпитера

Целью космического аппарата «Люси» станут так называемые «троянские астероиды», которые не входят в главный пояс астероидов, а обращаются вокруг Солнца по той же орбите, что и планета Юпитер. Первым таким астероидом, открытым астрономами, стал в 1906 году астероид Ахилл. Вскоре были обнаружены еще более двух десятков астероидов, деливших орбиту с планетой-гигантом. Причем оказалось, что они разделяются на две группы. Одни астероиды двигались по орбите, опережая Юпитер на некоторое расстояние. Другие приблизительно на такое же расстояние отставали от него, образуя своеобразный эскорт.

Таким астероидам стали давать названия в честь героев троянской войны. Причем те, что находятся в передней группе, стали называть именами греков (помимо Ахиллеса туда входят астероиды Нестор, Аякс, Агамемнон, Одиссей, Диомед и другие), а те, что позади Юпитера, именами троянцев (Приам, Эней, Асканий, Анхис, Троил и так далее). Исключение составляют астероиды Патрокл и Гектор. Патрокл находится в задней группе, хотя герой Патрокл воевал на стороне греков. Просто эти астероиды были открыты относительно рано (Патрокл - в 1906 году, Гектор - в 1907), когда традиция распределения имен еще не установилась. Первая группа астероидов получила общее название «греки», вторая – «троянцы». Троянцами, или троянскими астероидами, также называют, как уже говорилось, все астероиды с орбиты Юпитера.

Причина, по которой Юпитер обзавелся такой свитой, была открыта задолго до того, как обнаружили астероид Ахилл. Выдающийся французский математик Жозеф Луи Лагранж в 1760-х годах написал сочинение, в котором рассматривал гравитационное взаимодействие трех тел: двух больших и одного маленького, масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массами первых двух. Примером таких тел могут служить Солнце, Юпитер и астероид. Лагранж доказал, что существуют пять точек, в которых притяжение двух массивных тел по отношению к маленькому телу уравновесит друг друга. Поэтому малые тела, находящиеся в этих точках, будут достаточно стабильны.

Две из «точек Лагранжа», четвертая (L4) и пятая (L5), находятся в вершинах равносторонних треугольников, построенных на прямой, соединяющей центры масс больших тел. Двумя оставшимися вершинами треугольников будут эти центры масс. Как раз в районе точки L4 системы Солнце – Юпитер скапливаются астероиды-греки, а в точке L5 – астероиды-троянцы. Интересно, что сам Лагранж, умерший в 1813 году, не подозревал, что на орбите Юпитера возле определенных им точек будут открыты астероиды. По состоянию на январь 2015 года было известно 6178 троянских астероидов. По мере приближения к точкам L4 и L5 их становится все больше. Самые крупные из них имеют размер более ста километров.

Троянские астероиды и станут объектом исследований аппарата «Люси». Название он получил в честь знаменитого австралопитека Люси, скелет которого в 1974 году обнаружила в Африке экспедиция палеоантрополога Дональда Джохансона. Кстати, по пути к троянским астероидам «Люси» пролетит мимо астероида главного пояса (52246) Дональдджохансон, названного в честь этого ученого. Главный исследователь проекта «Люси» планетолог Гарольд Левинсон (Harold Levison) из Юго-западного исследовательского института считает, что, подобно тому, как открытие Люси помогло узнать ранние этапы эволюции людей, исследование троянских астероидов поможет пролить свет на ранний период существования Солнечной системы. Многие исследователи, в том числе и Левинсон, строя модели возникновения Солнечной системы, предполагают, что среди троянских астероидов есть планетезимали – неразвившиеся “зародыши” планет, возникшие из пылевых частиц в протопланетном диске.

Момент предполагаемого запуска «Люси» точно рассчитан, чтобы космический аппарат смог проделать весьма сложный маршрут и облететь целых шесть троянских астероидов. Стартовав в 2021 году, «Люси» приблизится к точке L4 в 2027. Там он изучит астероиды (3548) Эврибат, (15094) Полимела, (11351) Левк, (21900) Ор. После этого он совершит маневр и двинется к точке, где в марте 2032 года пролетит возле системы из двух астероидов Патрокл и Менетий, обращающихся вокруг общего центра масс. «Я служил богу небесной механики тридцать лет, – говорит Левинсон, – и теперь он вознаграждает нас».

Система Патрокл – Менетий особенно интересна Гарольду Левинсону и его коллегам. Подобные двойные системы редки среди астероидов, зато они распространены в поясе Койпера, среди вытесненных на периферию Солнечной системы бывших планетезималей. Поэтому древнее происхождение Патрокла и Менетия довольно вероятно.

Для исследования астероидов-троянцев «Люси» будет вооружена камерой высокого разрешения, спектрометрами видимого и инфракрасного диапазонов и термальным спектрометром инфракрасного диапазона (ИК-спектрометр испускания).

Металлический астероид

Целью второго аппарата – «Психе» – станет астероид номер 16 Психея (Psyche), находящийся в главном поясе. Это достаточно крупный астероид, его масса оценивается в 2,27·1019 кг, а размеры составляют примерно 240х185х145 км. Спектральные исследования показывают, что в Психее содержится много металлов: никеля и железа. Поэтому есть гипотеза, что он представляет собой металлическое ядро протопланеты, разрушенной в ходе столкновения с другим небесным телом на раннем этапе существования Солнечной системы. Ядро Земли тоже состоит преимущественно из железа и никеля. Предполагается, что при ударе протопланета лишилась своей мантии, а ее обнажившееся ядро стало астероидом, известным нам как Психея.

Если Психея когда-то была расплавленным металлическим ядром, то у ее протопланеты должно было возникнуть магнитное поле. Следы остаточной намагниченности ученые надеются обнаружить у Психеи. Руководитель проекта «Психе» планетолог Линди Элкинс-Тантон (Lindy Elkins-Tanton) из Аризонского университета отмечает, что у некоторых железо-никелевых метеоритов находят так называемые «Видманштеттеновы фигуры» – упорядоченные структуры в виде игл или многоугольников. Они могли возникнуть под влиянием магнитного поля, а некоторые из обнаруженных на Земле метеоритов с подобными фигурами могут иметь то же происхождение, что и Психея.

Хотя обычно магнитное поле возникает у крупных планет с жидким ядром, а не у значительно меньших по размеру протопланет, Элкинс-Тантон полагает, что при высоком содержании радиоактивного изотопа алюминия он смог бы нагреть протопланету изнутри, образуя расплавленное ядро.

Идея эта показалась коллегам-планетологам слишком смелой. Как вспоминает Элкинс-Тантон, после первого ее доклада на эту тему в 2011 году выстроилась очередь к микрофону из ученых, желавших опровергнуть ее предположения. Но со временем планетологи согласились, что идея достойна внимательного рассмотрения. Миссия «Психе», возможно, станет проверкой этой гипотезы.

Окажется ли Психея протопланетным ядром, потерявшим мантию? Если да, то как она ее утратила? Было ли это ядро расплавленным? Как шло его остывание: изнутри или снаружи? Отличается ли рельеф астероида со столь высоким содержанием металлов от каменных и ледяных небесных тел? Какова форма кратеров на Психее? Ответы на все эти вопросы надеются получить Линди Элкинс-Тантон и ее коллеги. Чтобы добиться этого, космический аппарат «Психе» снабжен магнитометром для поиска остаточного магнитного поля у астероида, а также гамма-лучевым и нейтронным спектрометрами, которые помогут по излучению астероида уточнить его состав.

Стартовав в 2023 году, автоматический космический аппарат использует гравитационные поля Земли и Марса и к 2030 году доберется до своей цели. Ученые рассчитывают, что работа аппарата на орбите у астероида продлится два года.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru