Астеро́иды (от греч. ἀστεροειδής, мн. число ἀστεροειδεῖς – звездоподобные), малые планеты, небесные тела, движущиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам и отличающиеся от больших планет малыми размерами. Первый астероид обнаружен Дж. Пиацци на обсерватории в Палермо (Сицилия) 1 января 1801 г. и назван Церерой в честь древнеримской богини плодородия, покровительницы Сицилии (рис. 1). Затем были открыты Паллада (1802), Юнона (1804) и Веста (1807). Церера (диаметр 939,4 км), Паллада (513 км) и Веста (525,4 км) – самые крупные астероиды Солнечной системы (таблица 1). Практически все астероиды имеют прямое движение, большинство их орбит имеют малые наклоны к плоскости эклиптики, хотя существуют астероиды и с больши́ми наклонами орбит.

Рис. 1. Изображение Цереры, полученное космическим аппаратом Dawn 7 мая 2015 г. с расстояния 13600 км. NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDAРис. 1. Изображение Цереры, полученное космическим аппаратом Dawn 7 мая 2015 г. с расстояния 13600 км. NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDAПосле обнаружения астероида, если имеется достаточное количество точных измерений его положений на небе в точно определённые моменты времени, вычисляется его предварительная орбита, которая затем уточняется по мере поступления новых наблюдательных данных. В настоящее время наиболее точно рассчитанные орбиты астероидов позволяют вычислить их положения через несколько лет с точностью до нескольких угловых секунд. Наилучшие условия наблюдения астероида имеют место в тех случаях, когда он находится максимально близко от линии «Земля – Солнце» с ночной стороны. Такие наблюдения называются наблюдениями в оппозиции. Как правило, для вычисления точной орбиты необходимо наблюдать астероид в нескольких оппозициях.

Образование

Астероиды образовались, по-видимому, при последовательном дроблении немногочисленных (до нескольких десятков) более крупных первичных тел, возникших в процессе эволюции протопланетного вещества одновременно с большими планетами. В современную эпоху, при огромном количестве астероидов, сравнительно велика вероятность их столкновения. Столкновения крупных астероидов размерами свыше 1 км могут происходить 1 раз в несколько миллионов лет. Продуктами столкновений являются новые астероиды, метеорные тела и космическая пыль. Возможно также самопроизвольное разрушение астероидов неправильной формы: их периодическое нагревание и охлаждение, а также действие приливных сил со стороны больших планет расшатывают внутреннюю структуру астероида и при определённой скорости собственного вращения центробежные силы могут разорвать его на несколько кусков.

Выводы из современных космогонических гипотез и наблюдательные данные говорят о том, что орбита Юпитера является граничной, за её пределами астероиды образовываться не могли. Астероиды за орбитой Юпитера могут существовать либо вследствие изменения первоначальной орбиты за счёт возмущений со стороны больших планет, либо как осколки разрушенного родительского тела в результате какого-либо катастрофического события (например, столкновения астероида с другим небесным телом). Иногда такие астероиды могут иметь очень вытянутые орбиты, достигающие в афелии орбит Урана, Нептуна и Плутона.

Классификация

По составу вещества астероиды делятся на несколько классов.

• Астероиды C-класса состоят из углерода, железа и некоторых химических соединений, которые делают их похожими на каменные метеориты. Альбедо этих астероидов находится в пределах 0,03–0,1, что соответствует чрезвычайно тёмному веществу. К этому типу относятся около 75 % всех известных астероидов.

• Поверхность астероидов S-класса состоит из железо-никелевого вещества с силикатами железа и силикатами магния. Эти астероиды светлее астероидов C-класса, их альбедо составляет около 0,1–0,22. Этот класс включает в себя около 17 % известных астероидов Солнечной системы.

• Астероиды М-класса состоят из чистого никелевого железа. Они имеют альбедо в интервале 0,1–0,18 и этим похожи на астероиды S-класса. Этот класс включает большинство оставшихся известных астероидов Солнечной системы, не относящихся к двум предыдущим классам.

В дополнение к этим трём основным классам также существует множество подклассов и других типов (в зависимости от используемой системы классификации). Двумя наиболее широко используемыми системами являются система классификации Толена и система классификации SMASS (Small Main-Belt Asteroid Spectroscopic Survey – «Спектральный обзор малых тел Главного пояса»). Большая часть спектров отражения астероидов получена спектральными методами, и в частности методами спектрофотометрии.

Каждой из этих групп соответствует определённый тип метеоритов, обнаруженных на земле. Свойства метеоритов, исследованные в лаборатории, сравниваются со свойствами астероидов, полученными из удалённых измерений, и таким образом устанавливается соответствие минералогического состава астероидов и метеоритов (таблица 2).

По своим физическим характеристикам астероиды подразделяются на несколько групп, в каждой из которых объекты имеют сходные отражательные свойства поверхности. Размер большинства астероидов определён косвенными методами – по их блеску при допущении определённого значения альбедо. Обычно значение блеска нормализуется (приводится) к стандартным условиям освещённости и наблюдения; таким образом определяется абсолютная звёздная величина астероидов. Размер и форма некоторых астероидов, в основном пролетавших на малых расстояниях от Земли, определены методами радиолокационной астрономии. Некоторые астероиды сфотографированы межпланетными станциями.

Семейства астероидов

Существует несколько семейств астероидов. Самое большое семейство астероидов, имеющих орбиты между орбитами Марса и Юпитера, называется Главным поясом астероидов. Общая масса всех астероидов Главного пояса примерно в тысячу раз меньше массы Земли. Главный пояс астероидов разделён люками Кирквуда – областями, обеднёнными астероидами, где могут находиться астероиды с определёнными значениями больших полуосей орбит. Существование таких областей определяется орбитальными резонансами, или определёнными соотношениями между большими полуосями орбит малого тела и возмущающего тела, например Юпитера. Открыты также ещё несколько поясов астероидов в пределах орбиты Юпитера. Обнаружены семейства астероидов, находящиеся в окрестности точек либрации планет, расположенных вблизи орбиты большой планеты симметрично впереди и позади неё. Известны 2 группы таких астероидов у Юпитера, которые названы троянцами (иногда троянцами называют группу астероидов, движущихся перед Юпитером, а греками – группу, следующую за ним), а также группа либрационных астероидов у Марса.

Особо выделяют комплекс сближающихся с Землёй астероидов, которые являются одним из источников астероидно-кометной опасности. Эти астероиды имеют перигелийные расстояния (расстояния от Солнца до перигелиев их орбит), меньшие или равные 1,3 астрономических единиц (а. е). Астрономы регулярно обнаруживают астероиды, проходящие вблизи орбиты Земли. Такие астероиды подразделяются на 4 семейства. Три семейства с астероидами, выходящими в афелии за орбиту Земли, названы по именам типичных представителей: семейства Амура, Аполлона и Атона. Семейство Атиры, которое иногда называют семейством X («икс»), включает астероиды, орбиты которых полностью находятся внутри орбиты Земли.

У Марса, как и у Земли, существует семейство астероидов, пересекающих его орбиту, – т. н. Марс-кроссеры. Марс-кроссер – это астероид, перигелий которого находится в пределах части орбиты Марса. Марс-кроссеры подразделяются на Марс-кроссеры неглубокого проникновения, с перигелием от 1,58 до 1,67 а. е., и Марс-кроссеры глубокого проникновения, с перигелием от 1,3 до 1,58 а. е. Для сравнения: расстояние Марса от Солнца варьируется примерно от 1,38 до 1,67 а. е. Считается, что Марс-кроссеры возникли как астероиды Главного пояса, которые попали в орбитальный резонанс 3:1 (на гелиоцентрическом расстоянии 2,5 а. е.) с Юпитером.

Среди астероидов, имеющих большу́ю полуось орбиты больше, чем у Юпитера, также выделяют семейства. Например, к семейству Кентавров относят астероиды, орбиты которых расположены между орбитами Юпитера и Нептуна. Объекты этого семейства обладают двойной природой: проявляют свойства как астероидов, так и кометных ядер.

Номенклатура

Вначале существовало правило давать названия астероидам по именам древнегреческих и древнеримских богинь. Когда их перечень исчерпался, астероидам стали присваивать названия по именам других мифологических персонажей, а также произвольные названия, которые с 1923 г. утверждаются специальной комиссией Международного астрономического союза (МАС) и вносятся в каталоги. Позднее астероидам стали давать названия только тогда, когда их орбиты были хорошо определены.

Официальным представителем МАС, к которому поступают все наблюдения, является Международный центр малых планет (Minor Planet Center, MPC). Здесь рассчитываются и уточняются орбиты астероидов, после чего на очередном заседании МАС утверждаются их названия. Кроме того, в случае хорошо определённой орбиты MPC присваивает астероиду порядковый номер, и такая малая планета называется нумерованной. В каталоге МРС уже числится практически миллион астероидов с известными орбитами, и их количество продолжает нарастать. Среди астероидов в этом списке присутствуют объекты другой природы. Например, тела из пояса Койпера; тела, проявляющие двойную природу (как комет, так и астероидов); тела, которые по размерам можно отнести к метеоритам, и т. п. Астероиды, кометы и другие объекты из каталога MPC называют малыми телами Солнечной системы. В настоящее время собственное название астероида, например в честь известного человека, города или страны, даётся астероидам с хорошо определёнными орбитами с согласия первооткрывателя астероида и утверждения специальной комиссией МАС.

Космические исследования

Рис. 2. Космический аппарат «Галилео» (художественное изображение).Рис. 2. Космический аппарат «Галилео» (художественное изображение).Для изучения астероидов были запущены или планируются к запуску различные космические аппараты. Эти миссии могут быть пролётными, т. е. без посадки на астероид, или с осуществлением физического контакта с поверхностью астероида и даже со взятием проб грунта под поверхностным слоем. Далее приведены сведения о некоторых космических миссиях по исследованию астероидов.

Космический аппарат «Галилео», запущенный 18 октября 1989 г. Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), взял курс на Юпитер и его спутники (рис. 2). По пути к системе Юпитера он пролетел мимо и запечатлел 2 астероида Главного пояса: Гаспра (1991) и Ида (1993). На основе данных, полученных во время этого пролёта, в 1994 г. было обнаружено, что у Иды есть небольшой спутник, позже названный Дактилем. Перед плановым столкновением с Юпитером 21 сентября 2003 г. зонд исследовал его атмосферу и обнаружил признаки подповерхностной воды и вулканической активности на нескольких его спутниках. «Галилео» также наблюдал столкновение кометы Шумейкеров – Леви 9 с Юпитером в июле 1994 г.

Рис. 3. Космический аппарат Clementine (художественное изображение).Рис. 3. Космический аппарат Clementine (художественное изображение).Космический аппарат NASA Clementine (рис. 3) был запущен 25 января 1994 г. После составления карты поверхности Луны предполагалось, что он перейдёт к научным наблюдениям за околоземным астероидом Географ (1620 Geographos) с целью изучения его физических свойств и особенностей поверхности. Однако после того как аппарат успешно завершил лунную часть миссии и покинул орбиту вокруг Луны в мае 1994 г., один из его бортовых компьютеров вышел из строя, в результате чего сработал двигатель и израсходовал всё топливо. Продолжить полёт к Географу не удалось, однако аппарат оставался в космосе для проверки того, как его компоненты реагируют на суровые условия окружающей среды.

Рис. 4. Космический аппарат NEAR-Shoemaker (художественное изображение).Рис. 4. Космический аппарат NEAR-Shoemaker (художественное изображение).Космический аппарат NEAR-Shoemaker (рис. 4) был запущен NASA 17 февраля 1996 г. Он провёл первое долгосрочное исследование астероида с близкого расстояния, изучив массу, структуру, геологию, состав и гравитацию околоземного астероида Эрос. 27 июня 1997 г. почти вплотную пролетел мимо астероида Матильда, приблизившись на расстояние 12 км к его поверхности. 14 февраля 2000 г. аппарат вышел на орбиту вокруг своей основной цели – Эроса – и приземлился на поверхность астероида в феврале 2001 г., передавая изображения крупным планом по мере снижения.

15 октября 1997 г. была запущена миссия «Кассини-Гюйгенс» к Сатурну и его спутникам. 23 января 2000 г., проходя через Главный пояс астероидов по пути к своей цели, аппарат совершил облёт астероида Мазурский (2685 Masursky), сделав многочисленные фотографии и оценив его размеры.

Рис. 5. Космический аппарат Deep Space 1 (художественное изображение).Рис. 5. Космический аппарат Deep Space 1 (художественное изображение).Космический аппарат NASA Deep Space 1 (рис. 5), запущенный 24 октября 1998 г., предназначался для тестирования различных передовых технологий в космосе. 29 июля 1999 г. он пролетел мимо астероида Брайль (9969 Braille) всего в 26 км от его поверхности, сумев выполнить большое количество наблюдений, которые пополнили наши знания об астероидах. Миссия была продлена для успешного облёта кометы Боррелли в сентябре 2001 г., что снова дало ценные изображения и данные, которые не входили в первоначальные цели программы. Миссия была закончена 18 декабря 2001 г.

Рис. 6. Космический аппарат «Стардаст» (художественное изображение).Рис. 6. Космический аппарат «Стардаст» (художественное изображение).Запущенный NASA 7 февраля 1999 г. аппарат «Стардаст» (рис. 6) пролетел мимо астероида Аннефранк (5535 Annefrank) 2 ноября 2002 г. по пути к своей основной цели – комете Вильда 2, с которой он столкнулся в январе 2004 г. Образцы кометы были доставлены на Землю с помощью капсулы в 2006 г., что сделало полёт «Стардаст» первой в своём роде миссией по возвращению космического аппарата с образцами малых тел. Пролёт мимо астероида Аннефранк в основном использовался как способ проверки систем и возможностей аппарата «Стардаст» для запланированной встречи с кометой Вильда 2. Однако изображения, полученные во время пролёта, предоставили интересные данные, показывающие небольшое и сильно изрытое кратерами скалистое тело, которое было темнее и примерно в 2 раза больше, чем ожидалось. После успеха космической миссии «Стардаст» она была продлена под новым названием «Стардаст-Некст» (англ. Stardust-Next), при этом аппарат был направлен на перехват и получение изображений кометы Темпеля 1 – задача, которую он успешно выполнил в начале 2011 г.

Рис. 7. Космический аппарат «Хаябуса» (художественное изображение).Рис. 7. Космический аппарат «Хаябуса» (художественное изображение).Космический аппарат «Хаябуса» был запущен 9 мая 2003 г. Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA). Он направился к астероиду Итокава, встретился с ним 12 сентября 2005 г. и изучил его физические характеристики (рис. 7). Аппарат совершил посадку на астероид в ноябре 2005 г. и оставался там до апреля 2007 г., прежде чем вернуться на Землю в июне 2010 г. с образцами его поверхности.

Запущенный 12 января 2005 г. космический аппарат Deep Impact (NASA) был предназначен для изучения состава кометы Темпеля 1 (рис. 8). Он успешно завершил свою миссию в июле 2005 г. после удара по ядру кометы специальным ударником, создав облако обломков. Рис. 8. Космический аппарат Deep Impact (художественное изображение).Рис. 8. Космический аппарат Deep Impact (художественное изображение).Это был первый опыт такого ударного воздействия на малое тело Солнечной системы. После этого в 2007 г. аппарат Deep Impact был перепрофилирован для изучения других комет, астероидов, а также экзопланет под новым названием EPOXI. В 2011 г. аппарат EPOXY был направлен к астероиду 2002 GT. Однако прежде чем аппарат смог достичь астероида, он потерял связь с Землёй, что привело к завершению миссии в сентябре 2013 г.

Космический аппарат «Розетта» Европейского космического агентства (ЕКА) был запущен 2 марта 2004 г., начав 10-летний путь к комете Чурюмова – Герасименко. На своём пути он совершил облёты астероидов: Штейнс в сентябре 2008 г. и Лютеция в июле 2010 г. Рис. 9. Орбитальный космический аппарат «Розетта» и посадочный зонд «Филы» над кометой Чурюмова – Герасименко (художественное изображение).Рис. 9. Орбитальный космический аппарат «Розетта» и посадочный зонд «Филы» над кометой Чурюмова – Герасименко (художественное изображение).Аппарат непрерывно следил за Штейнсом по мере его приближения, пройдя мимо него 5 сентября 2008 г. В результате было установлено, что Штейнс имеет ромбовидную форму с десятками кратеров и несколькими заметными серьёзными следами от ударов. В настоящее время считается, что Штейнс являлся частью более крупного тела, которое развалилось при попадании в него других объектов. Пролёт «Розетты» над Лютецией был совершён 10 июля 2010 г. и показал сложную историю астероида, определив ограничения на его массу, объём, плотность, состав, возраст, внешний вид поверхности и др. Аппарат «Розетта» достиг своей основной цели, кометы Чурюмова – Герасименко, 6 августа 2014 г. Он вышел на орбиту вокруг кометы, чтобы составить карту её поверхности, прежде чем отправить спускаемый аппарат «Филы» на её ядро в ноябре 2014 г. (рис. 9). Миссия продолжилась, и аппарат «Розетта» сопровождал комету через перигелий в августе 2015 г., отслеживая изменения в комете по мере её движения к Солнцу, а затем от него, вплоть до завершения программы в 2016 г.

Рис. 10. Космический аппарат Dawn (художественное изображение).Рис. 10. Космический аппарат Dawn (художественное изображение).Космический аппарат Dawn (NASA), запущенный 27 сентября 2007 г., был предназначен для изучения двух крупнейших скалистых тел (протопланет), оставшихся нетронутыми с момента их образования: Весты и Цереры (рис. 10). С июля 2011 г. по сентябрь 2012 г. аппарат находился на орбите вокруг Весты, собирая тысячи изображений и проводя измерения, что привело к получению ранних сведений о составе, топографии и геологической морфологии этого скалистого тела. Затем он продолжил движение к своей второй цели – Церере, которой достиг весной 2015 г.

Рис. 11. Космический аппарат Chang'E 2 (художественное изображение).Рис. 11. Космический аппарат Chang'E 2 (художественное изображение).После запуска 1 октября 2010 г. космический аппарат Chang'E 2 (рис. 11) вышел на лунную орбиту, исследуя её поверхность в рамках подготовки к программе аппарата Chang'E 3, который приземлился на Луну в декабре 2013 г. После этого этапа своей миссии Chang'E 2 направился к точке Лагранжа L2, которой он достиг в августе 2011 г. В апреле 2012 г. аппарат был отправлен к астероиду Тутатис с расширенной программой исследований, завершив его облёт в декабре 2012 г.

Рис. 12. Космический аппарат «Хаябуса-2» (художественное изображение).Рис. 12. Космический аппарат «Хаябуса-2» (художественное изображение).Продолжение предыдущей миссии JAXA, «Хаябуса-2» – это космическая программа по исследованию астероидов и доставке образцов на Землю, запуск которой состоялся в 2014 г. (рис. 12). Её цель – небольшой астероид Рюгу (1999 JU3), которого аппарат достиг в 2018 г. После обращения по орбите и изучения астероида в течение 1,5 лет «Хаябуса-2» отправил спускаемый аппарат на его поверхность для сбора образцов, которые были доставлены на Землю в конце 2020 г.

Рис. 13. Космический аппарат OSIRIS-REx (художественное изображение).Рис. 13. Космический аппарат OSIRIS-REx (художественное изображение).Космический аппарат OSIRIS-REx (NASA) был запущен осенью 2016 г. (рис. 13). В ходе этой миссии будут внимательно изучены орбитальные характеристики и особенности поверхности астероида Бенну, которого аппарат достиг в 2018 г. OSIRIS-REx также собрал и должен доставить на Землю образцы с поверхности астероида.