Харьковский астроном рассказал о своей работе в Обсерватории Лазурного Берега

Участник астрономического проекта OSIRIS-REx харьковчанин Алексей Голубов рассказал о новостях с астероида Бенну.

ОSIRIS-REx — американская межпланетная станция, запущенная для доставки на Землю образцов грунта с астероида Бенну. Это малое небесное тело вращается вокруг Солнца неподалёку от орбиты Земли. Его траектория может пересекаться с траекторией нашей планеты. НАСА называет этот астероид потенциально опасным для Земли объектом.

Станция OSIRIS-REx была запущена в сентябре 2016 года, сейчас она находится на орбите астероида. Возвращение миссии на Землю запланировано на 2023 год. Алексей Голубов — сотрудник НИИ Астрономии ХНУ им. Каразина, только что вернулся из Франции из Обсерватории Лазурного Берега, где он работал с доступными на сегодня результатами миссии НАСА OSIRIS-REx.

— Алексей, когда вы начали работу в миссии OSIRIS-REx?

— Формально научным сотрудником миссии я стал в конце 2018 года. Но после этого работал над многими другими задачами, только часть времени посвящая астероиду Бенну и миссии OSIRIS-REx. Пожалуй, только во Франции я сконцентрировался на OSIRIS-REx полностью.

— Расскажите о своей научной работе в проекте?

-Я, как теоретик, нахожусь не среди тех, кто производит научные данные, а среди тех, кто их использует. И участие в проекте для меня означает, в первую очередь, доступ к этим данным.

-Мой главный научный интерес — YORP-эффект, названный так по первым буквам фамилий первооткрывателей. Это влияние светового давления на вращения астероида — очень маленькая сила, которая, тем не менее, за миллионы лет может полностью изменить скорость вращения астероида и даже полностью разрушить его центробежными силами. Так вот, для Бенну мы год назад измерили ускорение его вращения из наблюдений: по мере того, как астероид вращается, его яркость, видимая с Земли, периодически увеличивается и уменьшается, но из-за ускорения вращения эта периодичность нарушается, максимумы и минимумы яркости достигаются раньше, чем нужно. Теперь я пытаюсь сравнить это полученное из наблюдений ускорение с теорией.

— Что вы делали по проекту в Харькове и во Франции?

-Я вычисляю YORP-эффект для различных моделей формы астероида Бенну. Для этого использую теоретические модели и компьютерные программы, которые писал в последние годы.

— Удалось ли Вам сделать открытия?

-Я наткнулся на интересную проблему, но пока не знаю, как её решить. YORP-эффект оказывается совершенно разным для разных моделей форм Бенну. Он может меняться в несколько раз, и даже менять знак. У этого может быть несколько разных трактовок. Во-первых, может быть проблема с моими теоретическими моделями. Например, я пренебрегал невыпуклостью формы астероида, а она может играть существенную роль. Во-вторых, проблема может скрываться в использованных моделях формы. Алгоритм их построения мог как-то нарушить симметрию между восточным и западным направлениями, породив добавку к ускорению астероида. В-третьих, это отличие результатов для YORP-эффекта может объясняться различиями использованных моделей формы в мелких деталях. Давно известно, что YORP-эффект может сильно меняться даже при малых изменениях формы астероида, но неожиданно, что даже модель формы с разрешением около метра всё равно оказывается недостаточной для точного вычисления YORP-эффекта. Любой из трёх вариантов был бы очень интересным, но мне нужно провести ещё много дополнительных исследований, чтобы сделать выбор между этими вариантами.

— Изменятся ли Ваши исследовательские задачи по мере приближения к завершению проекта?

-По мере приближения миссии к завершению появляется всё больше данных. Первые моделирования динамики астероида я делал ещё до подлёта миссии, по очень неточной модели формы, полученной наземными радарными измерениями. Потом появились модели формы, воссозданные на основании фотографий космического аппарата, с разрешением около метра. Теперь есть модели формы с разрешением в несколько сантиметров. Для меня это не только количественные, но и качественные изменения. Это необходимость создания новых программ, учитывающих невыпуклость формы. Это возможность изучения мелкомасштабной теплопроводности, что для грубых моделей формы было бы невозможно. И это всё больше новых физических эффектов, которые можно и нужно учесть.

— Вы будете в команде проекта до завершения миссии?

-Формально да, но самое сложное — суметь при этом быть по-настоящему полезным для команды. Если раньше в астероидной науке постоянно не хватало данных, и развитие происходило, в первую очередь, с теоретической стороны, где любые внутренне непротиворечивые теории получали право на жизнь, то сейчас наблюдения вышли на первый план, опередив теорию. Такое большое количество и качество наблюдательных данных — это огромная честь и огромный вызов для учёных. Это задаёт высокую планку, и мало какие из теорий могут ей соответствовать.

— Картографирование поверхности астероида и построение его ЗD модели уже завершено?

-Первые модели формы Бенну были построены в первые месяцы после прилёта OSIRIS-REx к астероиду, и с тех пор продолжают непрерывно уточняться по мере поступления новых данных. Сейчас я работаю с моделью формы, выпущенной в октябре 2019 года и жду её дальнейших уточнений.

— Выбрано ли место для планируемой посадки на поверхность астероида?

-Да, но это был сложный выбор. До подлёта к астероиду ожидалось, что его поверхность будет довольно гладкой, поэтому стратегия забора проб грунта разрабатывалась для участков рыхлого реголита диаметром 50 метров. А астероид оказался очень каменистым, и на нём было найдено всего несколько ровных районов размером порядка 5–20 метров. Пришлось пересматривать весь алгоритм взятия проб грунта для повышения точности наведения космического корабля на цель.

Несколько месяцев шёл выбор между участками поверхности, названными Кингфишер (зимородок), Найтингейл (соловей), Оспри (скопа, морской ястреб) и Сендпайпер (кулик). Это неофициальные названия, не утверждённые пока Международным астрономическим союзом. Поскольку сам астероид назван в честь Бенну — птицеподобного существа из древнеегипетской мифологии, — решено объекты на его поверхности называть в честь других мифических птиц. Названия в честь реальных египетских птиц не совсем вписываются в эту схему. Но надо же было как-то называть эти места, хотя бы для обсуждений внутри команды.

В декабре 2019 был окончательно выбран Найтингейл как основное место забора грунта, а Оспри — как запасное. Найтингейл находится в высоких широтах, в северной части астероида. Даже в полдень он не нагревается до высоких температур, благодаря чему там могла сохраниться более богатая первозданная химия астероида. Предполагается, что именно такие астероиды как Бенну в большой мере ответственны за доставку на молодую Землю воды, а, возможно, и первых органических молекул. Поиск в районе Найтингейл следов органики и связанной воды позволит проверить эту теорию.

Фото: НАСА. Четыре обсуждавшихся места для забора грунта на карте астероида Бенну.

— В какие сроки планируется осуществить посадку и забор грунта?

-Забор грунта запланирован на август 2020. Космический аппарат подойдёт к поверхности на малой скорости, коснётся её роботизированной рукой, подует азотом из баллона и, как пылесос, увлечёт этим потоком газа частицы астероидного грунта. На первый взгляд — пустяк, но на самом дела — сложнейшая инженерная задача. Приблизиться к поверхности на маленькой скорости, очень точно, не столкнувшись с большими камнями по соседству; даже для торможения не направлять реактивную струю на поверхность, чтоб не загрязнить её; взять пробу грунта неизвестной прочности, с неизвестными размерами частиц; всё это автономно, потому что радиосигнал идёт до Земли слишком долго. Единственная проба грунта с астероида, доставленная на Землю до сих пор, была взята в 2005 году японским аппаратом Хаябуса на астероиде Итокава, но из-за сбоя в программе система забора грунта сработала неправильно, и вместо полноценной пробы грунта аппарат доставил на Землю всего несколько микрограммов реголита. Чтобы не повторить эту ошибку, OSIRIS-REx проведёт несколько проверок правильности забора грунта. В случае ошибки манёвр можно повторить. Азота достаточно на 3 попытки. Цель — получить 60 граммов реголита. В марте 2021 OSIRIS-REx должен будет покинуть астероид Бенну, а 24 сентября 2023 года контейнер с образцами грунта должен приземлиться в США, в штате Юта.

— Есть ли фотоснимки или видео, показывающие взрывы на поверхности небесного тела?

-Есть фотоснимки частиц, улетающих с поверхности. Их размеры – несколько сантиметров, скорости – от нескольких сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду. Были подробно изучены три больших выброса частиц в январе-феврале 2019 года. В каждом из них наблюдалось несколько десятков частиц. Самые быстрые из них сразу улетели в космос, самые медленные — снова упали на поверхность, но некоторые частицы промежуточных скоростей вращались вокруг астероида по несколько дней. Кроме того, наблюдалось много маленьких выбросов или единичных частиц.

— Почему, на ваш взгляд, происходят эти взрывы?

— Три основных гипотезы – бомбардировка микрометеоритами, тепловое растрескивание камней и растрескивание камней при испарении химически связанной в горных породах воды. На первый взгляд может показаться невероятным, чтобы обычный треснувший камушек зашвырнул себя в космос. Но надо помнить, что на таком маленьком небесном теле как Бенну достаточно оттолкнуться от поверхность со скоростью всего в несколько десятков сантиметров в секунду, чтобы улететь с астероида навсегда.

— Как на астероид Бенну влияют гравитационные поля Земли, Марса и Юпитера?

-Самый простой ответ – возмущают его движение. По первому закону Кеплера все планеты и астероиды движутся по эллиптическим орбитам. Но это только приближение, верное, пока можно пренебречь гравитационным воздействием планет друг на друга. В действительности, однако, эллипс, по которому движется астероид, постепенно поворачивается в пространстве, меняет свой размер и вытянутость. Даже если орбита астероида сейчас не пересекается с орбитами планет, со временем это может измениться. И, чем ближе к планетам будет подходить астероид, тем большие толчки будет от них получать. В результате он либо упадёт на одну из планет, либо упадёт на Солнце, либо будет выброшен из Солнечной системы. На околоземных орбитах астероиды не задерживаются долго. 10 миллионов лет – вот типичное время жизни околоземного астероида. А возраст Солнечной системы 4,5 миллиарда лет – в сотни раз больше. Так что околоземные астероиды – это явление, по астрономическим меркам, эфемерное. Они постоянно прибывают из главного пояса астероидов, на какое-то время задерживаются на околоземных орбитах, а потом выбрасываются или гибнут.

— Какие версии его происхождения?

-Вещество астероида возникло, по-видимому, одновременно с формированием Солнечной системы. В газе, из которого формировалось Солнце, присутствовали пылинки. Они слипались друг с другом под действием молекулярных сил, потом — под действием гравитации собирались в планетезимали размерами от километров до сотен километров, а уже из планетезималей возникли планеты. В поясе астероидов планета не возникла: по-видимому, Юпитер успел сформироваться раньше и своей гравитацией возмутил орбиты соседних планетезималей и расчистил пояс астероидов. Оставшейся массы уже было слишком мало, чтобы сформировать планету, а орбиты стали сильно вытянуты и наклонены, так что тела теперь сталкивались на больших скоростях, и процессы дробления шли быстрее, чем процессы слипания. Бенну, по-видимому, возник в результате дробления более крупных тел и представляет собой не цельное тело, а груду камней, возникших в предыдущих столкновениях, удерживаемых силой тяжести.

То, как астероид покинул Главный пояс и стал околоземным – не менее интересная история. Астероид вращался вокруг Солнца и одновременно вращался вокруг своей оси. Из-за тепловой инерции грунта максимальная температура в каждой точке достигалась не в полдень, а ближе к вечеру, когда почва лучше прогреется. В результате вечерняя сторона астероида имела большую температуру, чем утренняя. Значит, излучала больше теплового инфракрасного излучения. И, испуская фотоны этого излучения, испытывала отдачу в противоположную сторону. Под действием этого так называемого эффекта Ярковского астероид постепенно изменял свою орбиту, пока не попал в область сильных гравитационных возмущений со стороны планет, после чего был выброшен на околоземную орбиту.

— Какой диаметр астероида и траектория его полета?

— Средний диаметр 490 метров. А траектория такая, что может и столкнуться с Землёй. Несколько сближений с Землёй произойдут между 2175 и 2199 годами, и суммарная вероятность столкновения для них — примерно одна трёхтысячная. Это стало одной из причин выбора Бенну в качестве цели миссии OSIRIS-REx: получив надёжную тепловую модель грунта астероида мы сможем точнее рассчитывать действующий на него эффект Ярковского, точнее прогнозировать в будущее его орбиту и узнать наверняка, столкнётся ли он всё-таки с Землёй в конце следующего столетия. Другой причиной выбора Бенну стало то, что его орбита достаточно близка к орбите Земли, поэтому туда можно было попасть с относительно небольшими затратами топлива.

— Из чего состоит астероид?

-Судя по спектру его поверхности – из углистых хондритов. Но совсем уж точно мы сможем сказать только после анализа доставленного с астероида грунта. Хондриты — самое древнее вещество в Солнечной системе, состоящее из слипшихся вместе шариков – хондрул. Именно из таких хондритов формировались зародыши планет и астероидов. Но потом в планетах это вещество полностью переплавилось, а в астероидах осталось в неизменнов виде. До сих пор нам были доступны только хондриты, упавшие на Землю в виде метеоритов, видоизменённые из-за нагрева в атмосфере. Доставка с астероида хондритов в первозданном виде позволит лучше понять первые этапы возникновения Солнечной системы.

— Есть ли на нем вода?

-Жидкой воды там точно нет — в вакууме она бы сразу закипела и частично испарилась, частично замёрзла. Значительных количеств льда мы там тоже не ожидаем — для этого на астероиде слишком тепло. Но в спектре астероида найдены линии, характерные для горных пород, содержащих воду в химически связанном состоянии. Теперь ждем образцов грунта для окончательного подтверждения.

Фото предоставлено Алексеем Голубовым