Человечество мало-помалу начинает осознавать риск, который представляют для него, да и для всей жизни на нашей планете, десятки и сотни тысяч астероидов и комет, орбиты которых проходят в опасной близости от Земли. Малоизвестным остаётся тот факт, что значительное количество этих так называемых околоземных объектов несут в себе двойную угрозу, на деле представляя собой пару – основное тело и его спутник, который, как правило, в несколько раз меньше.
Среди объектов километрового размера, представляющих для человечества наибольшую опасность, число таких двойных составляет около 15%. Судя по всему, доля эта не очень сильно зависит от размера тела, поскольку такой же процент двойственности наблюдается и у гораздо более крупных объектов из главного пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Объектов небольшого размера мы там видим меньше просто из-за большей их удалённости, хотя первый двойной астероид был открыт именно здесь – им стала Ида (243), пролетая мимо которой на пути к Юпитеру, космический аппарат Galileo заметил её крохотный спутник Дактиль.
Как возникают двойные астероиды, остаётся загадкой.
Существуют несколько версий, однако большинство из них при детальном рассмотрении не проходят. Например, столкновения астероидов могут быть более или менее эффективны в плотном астероидном облаке главного пояса, но вряд ли происходят достаточно часто среди околоземных объектов, чтобы дать им то же среднее количество двойных.
Для астероидов, сближающихся с Землёй (равно как и с другими планетами), может действовать другой, приливный механизм, при котором астероид раскалывает на две части приближение массивной планеты. Однако и здесь на поверку всё оказывается нечисто: разрушить систему из двух тел, которые друг рядом с другом удерживает лишь слабенькое взаимное притяжение, ещё проще, чем разбить на две части исходное тело. А значит союз их – очень недолгого свойства.
Уже в XXI веке астрономы догадались, что причиной такого распространения двойственности может быть эффект, предсказанный русским инженером Иваном Осиповичем Ярковским ещё в конце века XIX.
Сам по себе эффект Ярковского состоит в том, что сила отдачи от фотонов, излучаемых с поверхности вращающегося астероида, распределена неравномерно. С его утренней, ещё не прогретой стороны, их улетает меньше, чем со стороны вечерней, которая весь астероидный день провела под лучами Солнца. В итоге возникает равнодействующая, направленная в сторону утренней стороны. Сила отдачи света крохотная, но и она способна, действуя миллионы и миллиарды лет, пока астероид крутится вокруг Солнца, вполне заметно сместить его орбиту и даже перевести тело из разряда безопасных астероидов главного пояса в потенциально опасные околоземные объекты.
В начале 1950-х годов тогда ещё доцент, а позднее профессор Ярославского пединститута Владимир Вячеславович Радзиевский опубликовал работу, в которой показал, что эффект Ярковского имеет ещё большее значение для изменения скорости вращения тела. Хотя бы по той причине, что энергия вращения астероида меньше энергии его орбитального движения, а потому легче заметить влияние крохотной силы на первую, чем на последнюю.
Правда, для закрутки, или, напротив, остановки вращения, астероид должен быть несимметричным и неравномерно окрашенным, чтобы излучение, во-первых, вообще хоть как-то влияло на вращение астероида (излучение идеально круглого шара всегда направлено перпендикулярно поверхности и никак её не закручивает), а во-вторых, чтобы закручивание это было неравномерным. Позднее усилиями американцев Джона О'Кифа и Стивена Пэддэка стало понятно, что неравномерное окрашивание не так и важно, а об эффекте узнали и западные астрономы.
Существование YORP-эффекта – а именно в этой последовательности по фонетическим причинам принято перечислять фамилии его открывателей – долгое время было подтверждено лишь косвенно. Среди свидетельств реальности его работы в Солнечной системе самым достоверным была статистика их вращения. Вместо традиционного для физики максвелловского распределения, при котором существует много тел с какой-то средней скоростью и немного тел с маленькими и большими скоростями, в реальности наблюдается довольно странная картина, когда подозрительно много и очень быстрых, и очень медленных астероидов. Ровно такое положение вещей предсказывает и YORP-эффект, который в зависимости от геометрии объекта и направления его вращения может действовать в разных направлениях: крутящиеся волчком тела – это те, кого эффект раскрутил, медленно вращающиеся объекты – те, кого замедлил.
Эффект Ярковского, а точнее, эффект Ярковского—О'Кифа—Радзиевского—Пэддэка, может ускорить вращение астероида до такой степени, что космическое тело более не сможет существовать в виде единого целого. Когда скорость вращения превышает определённый предел, с его экватора под действием центробежной силы начинают, как дети с раскрутившейся карусели, отваливаться куски вещества. Эти куски станут обращаться вокруг астероида в соответствии с законом тяготения Ньютона.
Чуть более года назад существование YORP-эффекта было, наконец, четко доказано экспериментально. Сразу три группы исследователей опубликовали в Nature и Science статьи, подтвердившие, что скорость вращения астероидов Аполлон (1862) и 2000 PH5 увеличивается в соответствии с предсказаниями теории. Эффект Ярковского—О'Кифа—Радзиевского—Пэддэка превратился из гипотезы в реально работающее явление. Астероид 2000 PH5 на радостях даже переименовали, дав ему звучное для английского, но сомнительное для русского уха название YORP (54509).
Двухкилометровый Аполлон обладает не только быстрым вращением, но и крохотным спутником размером всего 80 метров в поперечнике, обращающийся по почти круговой орбите, которая проходит всего в километре над поверхностью Аполлона. Возможно, это обстоятельство навело учёных на мысль, что спутники астероидов – если не самого Аполлона, то других – вполне могут слипаться из тех самых кусков вещества, что были сброшены с астероида ставшей со временем слишком могучей центробежной силой.
Кстати, именно такой разрыв малых планет и предсказал более полувека назад Владимир Радзиевский, хотя конкретный механизм раскрутки у него был не тот, который считают важным в настоящее время.
Что Радзиевский не мог знать, так это то, что разорвать астероид гораздо проще, чем кажется с первого взгляда.
Наблюдения за этими объектами в последние годы показали, что многие из них могут быть весьма рыхлыми образованиями небольшой плотности. Вместо цельного межпланетного утёса мы часто имеем дело, грубо говоря, с грудой отдельных булыжников, под слоем которых, возможно, есть единое «затравочное» тело – а возможно, и его нет.
Классический пример такого астероида – Итокава (25143), который в 2005 году с близкого расстояния изучил японский межпланетный зонд «Хаябуса». «Хаябусе» удалось даже приземлиться на эту груду камней и песка и, возможно, взять пробу вещества с её поверхности. Правда, результаты этой операции мы узнаем не раньше 2010 года, когда аппарат должен скинуть капсулу с первым в истории человечества кусочком настоящего астероида на бескрайних просторах ракетного полигона Вумера в Южной Австралии.
Как теперь выясняется, для таких астероидов – а их может быть большинство – YORP-эффект не только может, но и должен приводить к дроблению на части с последующим образованием спутника из сброшенных с экватора частиц. При этом сам астероид приобретает весьма необычную, но хорошо знакомую любителям комиксов о зелёных человечках форму «летающей тарелки».
Кевин Уолш, Дерек Ричардсон и Патрик Мишель из университетов французской Ниццы и американского штата Мериленд смоделировали, как объекты размером с километр, состоящие из примерно тысячи отдельных булыжников, будут вести себя под действием солнечного света с учётом эффекта Ярковского, собственной гравитации и силы трения между отдельными булыжниками. Результаты этого эксперимента in silico представлены в последнем выпуске Nature.
Астрономы придавали своим моделям разные формы – сферическую и вытянутую в одном направлении, меняли физические свойства булыжников – в первую очередь, коэффициент трения между ними и долю энергии, которую они теряют при столкновениях. Они также сравнили, чем отличается эволюция тел, в которых есть массивные «затравочные ядра», от поведения тех, что состоят из совершенно равноправных камней одного и того же размера.
Как оказалось, почти при любых параметрах тело достаточно быстро принимало форму сплюснутой сферы, а вдоль его экватора вырастал характерный горб «летающей тарелки», который называют экваториальным поясом.
Частицы же, сброшенные этим горбом в дальнейшем медленно собирались в спутник размером до 30% от размеров основного компонента появившейся двойной. Поглядеть, как происходит такая эволюция, на одном из примеров можно в этом видеоролике (слева показан вид с полюса, справа – с экватора, в 26-секундное видео сжаты тысячи и миллионы лет эволюции объекта, в зависимости от его размеров и расстояния от Солнца).
Все объекты, эволюционировавшие в памяти компьютера, изначально вращались как твёрдые тела со скоростью один оборот вокруг своей оси за 4,4 часа. При плотности каждого булыжника в 3,4 г/см3 и средней плотности всего объекта примерно в полтора раза меньшей (за счёт щелей между камнями), никакого разлёта с экватора поначалу не было.
Постепенно раскручивая объект в соответствии с расчётным YORP-эффектом, учёные вычисляли силы, действующие на каждый из булыжников. Это позволило на каждом шаге расчётов выяснить, останется ли камень лежать на своём месте или начнёт катиться, переваливаясь через своих собратьев, и если катиться – то куда. Если же булыжник вовсе отрывался от поверхности малой планеты, учёные вычисляли его орбиту и следили за столкновениями с его предшественниками, расставшимися с основным телом ещё раньше.
При столкновениях булыжники могли слипаться, двигаясь дальше, как единое тело, или оттолкнуться друг от друга – всё зависит от относительной скорости и так называемого параметра реституции, определяющего долю потерянной при ударе энергии. Конечно, следить надо было и за тем, не ударятся ли спутники о тело самого астероида, если он их вдруг догонит, стукнув выпирающим концом.
Учёные отмечают, что их результаты очень напоминают реальный случай, присутствующий в Солнечной системе, – полуторакилометровый астероид 1999 KW4, оборачивающийся вокруг своей оси всего за 2 часа 50 минут. Его форму удалось точно измерить два года назад с помощью радиолокации, когда он проходил недалеко от Земли. Кстати, у 1999 KW4 — точнее, 1999 KW4 A – есть не только горб, но и спутник 1999 KW4 B, который в несколько раз меньше.
По-другому эволюция шла только в двух случаях. Если между булыжниками трения изначально вовсе не было, то они вели себя, как жидкость, принимая при высоких скоростях вытянутую форму классических фигур вращения Якоби и Маклорена. Отличалась эволюция и при наличии крупного вытянутого «затравочного ядра» под слоем булыжников – здесь другие камни более или менее облепляли его поверхность, повторяя форму самого ядра. И в том, и в другом случае спутник образоваться не мог – прежде, чем орбитальные частицы могли слиться, их «разметал» всё быстрее вращающийся вытянутый основной объект.
Впрочем, даже в таких ситуациях YORP-эффект может оказаться очень полезным. Как показало моделирование, перемещение булыжников по астероиду приводит к обнажению его внутренностей, и происходит это, в первую очередь, вблизи полюсов. Так что когда к какой-то из блуждающих в окрестностях Земли «летающих тарелок» будет отправлена очередная «хаябуса», пробы стоит брать не с экваториального пояса, кажущегося, на первый взгляд, самой привлекательной целью, а как раз с непримечательных на вид полярных районов. Именно здесь могли остаться следы самого раннего прошлого Солнечной системы.
