Все про пояс астероидов

Планеты Солнечной системы, относящиеся к внутренней и внешней группам, разделены торообразной областью, именуемой поясом астероидов (asteroid belt). Здесь сосредоточено множество объектов небольшой массы и асимметричной формы. С точки зрения астрономии изучение этих небесных тел представляет немалый интерес.

Что такое пояс астероидов

Главный пояс астероидов расположен в пространстве, ограниченном орбитами крайней планеты земной группы, Марса, и первого гиганта – Юпитера. В нем насчитывается свыше миллиона объектов, когда-то бывшими протопланетным веществом. Согласно многочисленным гипотезам, раньше здесь мог находиться планетарный объект, разрушенный при неизвестных обстоятельствах. По другой версии, планета так и не сформировалась, а материал для нее остался в форме разрозненных частиц разного размера, вращающихся по единой орбите вокруг Солнца.

Исследования области перспективны, поскольку на основании полученных данных астрономы могут предсказать ситуации, угрожающие земной цивилизации.

Где находится пояс астероидов

Пространство, где находится пояс астероидов, сосредоточено между Марсом и Юпитером. Орбитальные радиусы входящих в него тел находятся в диапазоне 2,2-3,37 а. е. (до 93% астероидов, остальные 7% могут незначительно выходить за пределы указанного диапазона). Среди скоплений астероидов в Солнечной системе, это – самое многочисленное. Второй по численности – пояс Койпера (область за Нептуном).

Интересно, что плоскость земной орбиты совпадает с астероидными. Встречаются исключения. Например, орбитальное вращение Барселоны отклонено на угол 30°. Большинство объектов, находящихся ближе к внутренней области, оборачиваются вокруг Солнца за 3 земных года. Отдельные экземпляры вращаются медленнее, поэтому им может понадобиться 5-6 лет для совершения полного оборота.

Структура пояса астероидов

Протяженность составляет 1 а. е., суммарная масса не превышает 3,2х1021 кг. Последний показатель не так велик, поскольку приравнивается к 4% от массы Луны. 1/2 забирают крупнейшие объекты: Церера, Веста, Паллада, Гигея.

Большая часть пространства – пустота, а расстояния между объектами огромны. Видимых образований несколько сотен тысяч. В ИК спектре можно обнаружить до 1,7 млн единиц. Большинство небесных тел сконцентрирована во внутреннем кольце. Здесь температура тел составляет около -73°С. На внешнем кольце астероиды нагреваются максимум до -108°С.

Щели Кирквуда

Все пространство, где находится пояс, астрономы делят на 3 зоны, сильно отличающиеся по характеристикам. Основано это разделение на теории Дэниэла Кирквуда, обнаружившего в 1866 году между траекториями движения астероидов своеобразные разрывы. Щели Кирквуда – пустующие участки в поясе астероидов, создаваемые за счет резонансного влияния Юпитера.

При движении астероиды «избегают» орбит, регулярно сближающихся с гигантом. Происходит это из-за потерь стабильности траекторий на фоне воздействия колоссальной гравитации Юпитера. Объекты буквально выталкивает из области резонанса. Те же, которые продолжают движение, либо относятся к группе «троянцев» (изначально существовали здесь), либо временно попадают в гравитационный зазор из-за столкновений с другими телами. Подобное явление приводит к формированию пустых участков, при этом в других областях концентрация объектов, напротив, значительно возрастает.

В зависимости от силы орбитального резонанса, пространство астероидного пояса зонально разделяют:

Зона	Орбитальный резонанс	Удаленность от Солнца (а. е.)
I – внутренняя	4:1 и 3:1	2,06 – 2,5
II – средняя	3:1 и 5:2	2,5 – 2,82
III – внешняя	5:2 и 2:1	2,82 – 3,27

Заметить пространственные пробелы, фотографируя контрольные участки, нельзя, поскольку орбиты астероидов периодически проходят через резонансные. В любой момент плотность пространства в щелях Кирквуда визуально не отличается от постоянно заполненных областей.

Состав пояса

Около 200 астероидов имеют диаметр более 100 км. Длина еще 1000 малых космических тел не превышает 15 км. Большая же часть значительно меньше – до 1 км. В составе пояса также присутствуют пылевые линии, радиус частиц которых не превышает нескольких микрометров. Схожими орбитальными наклонами при этом обладают только три из них.

Концентрация тел в этой области довольно высокая, но столкновения крупных астероидов происходят не чаще раза в 10 млн лет. При дроблении астероида образуются обломки, которые впоследствии могут стать семейством или блуждать по космическому пространству в виде метеоритов. Бывает, что тела, сталкиваясь, сливаются, формируя единое крупное образование.

Крупнейшие объекты пояса астероидов

Среди крупнейших объектов пояса астероидов выделяются несколько объектов:

• Церера – относится к категории карликовых планет Солнечной системы. Масса составляет 1/3 от общей всего астероидного кольца. Этот космический объект обладает каменным ядром, покрытым мантией. В периоды приближения к Солнцу наблюдается образование атмосферы (водяной пар). Без специального оборудования наблюдение Цереры невозможно, поскольку ее поверхность отражает не более 5% света.
• Веста – масса этого второго по величине объекта составляет 9% от общей всех астероидов. Ее поверхность отражает до 42% солнечного света, поэтому увидеть объект можно без оптических приборов.
• Паллада – особенность астероида – необычный уклон оси (34°).
• Гигея – масса составляет 3% от общей.

Семейство и группы пояса астероидов

Отдельные объекты астероидного кольца похожи по орбитальным особенностям (угол наклона, эксцентриситет, спектральные особенности и пр.). Заметил эту закономерность в 1918 г. астроном Хираяма. Это позволяет их объединять в семейства. К последним относят до трети всех объектов. К известным семействам относят следующие группы:

• Флора – ≥800 объектов внутреннего кольца (до 5% всей численности), возраст около 1 млрд лет. Представлена преимущественно астероидами S-типа.
• Корониды – около 300 небесных тел, крупнейшим является 41-километровая Лакримоса.
• Эвнома – астероиды S-типа сосредоточены во внутренних областях (до 5% всей численности).
• Веста – объекты находятся на краю внешней границы кольца (3,13 а. е.). К ним относится Веста и 24 Темис.
• Эос – 4,4 тысячи объектов, расположенных во внешнем поясе (до 3,03 а. е.), возраст около 2 млрд лет. Напоминают тип S, имеют ряд отличий в ИК спектре.

Формирование семейств произошло предположительно из-за ударов и столкновений крупных объектов, распавшихся впоследствии на мелкие тела. До трети всех астероидов пояса входит в такие группы.

Одно из необычных семейств – Венгрия, названное по наименованию крупнейшего объекта. 52 астероида типа Е расположены не дальше 2 а. е. от Солнца и отделены от остальных объектов щелью Кирквуда. Наклон орбит значительный, во многом это связано с гравитационным воздействием Марса.

Типы астероидов главного пояса

Разделение астероидов по типам основано на их составе:

1. Углеродистые (С).
2. Силикатные (S).
3. Металлические (M).

Также встречаются более резкие типы, состав которых удалось идентифицировать благодаря ИК-анализу:

• V (базальт) – редкая разновидность, предположительная произошедшая от дробления Весты.
• Е (энстатит) – характерен для объектов внутреннего пояса, имеет сходство с ахондритами. Один из представителей класса – Штейнс.

1 астероиды С типа углеродистые

Более 3/4 видимых объектов, приоритетно во внешних областях. Основной элемент – углерод. Поверхностный состав медно-хондритовый. По спектральному анализу их состав не изменился со времен древней Солнечной системы. Цвет темный.

2 астероиды S типа силикатные

Cветлые астероиды преобладают во внутреннем кольце с удаленностью 374 млн км от Солнца. В составе преобладают кремнистые соединения и металлы, образовавшиеся в результате длительной деформации и плавления. Крупнейший каменный астероид – Юнона.

3 астероиды M типа богатые металлами

В составе преобладают железно-никелевые соединения, силикаты. Таких астероидов до 10%. Предположительно, они являются осколками ядер разрушенных на заре формирования системы больших объектов. Наиболее крупный представитель – Психея.

Загадочный фаэтон

В XVIII в. Тициусом и Боде было сформулировано правило, согласно нему планеты должны вращаться по орбитам, удаленным от Солнца в соответствии со строгой закономерностью. Эта гипотеза помогла астрономам открыть Уран. Но, согласно ей, между марсианской и юпитерианской орбитами должен располагаться объект планетарных масштабов. Поиски загадочной планеты привели к открытию Цереры. Но карликовый объект никак не подчинялся закономерностям.

После обнаружения Паллады в 1802 г. Генрих Ольберсон высказал предположение, что вместе с Церерой астероиды когда-то были частями одной планеты, разрушенной кометой несколько миллионов лет назад.

Согласно расчетам, вес загадочной планеты должен был соответствовать 3х1018 тонн, а диаметр доходить до 6,8 тысяч км. Гипотеза о существовании Фаэтона там, где сейчас находится пояс, основывается именно на правиле Тициуса-Боде. Он должен был располагаться в 2,8 а. е. от центра системы. Но, вероятнее всего, был разрушен из-за масштабной катастрофы, гравитации соседа-гиганта, внутриядерных процессов.

Происхождение и формирование пояса астероидов

Теория Олдберса и Гершеля подразумевала, что астероидное кольцо образовалось в ходе разрушения планеты Фаэтон, вращающейся по схожей орбите. Но подобное предположение было опровергнуто. Дело в том, что для разрушения такого большого тела потребуется слишком много энергии. Более того, масса предполагаемых обломков составляет всего 4% от лунной, а их состав сильно отличается. Этого просто недостаточно, чтобы считать asteroid belt остатками планеты.

Сейчас известно, что астероиды – это остаточный материал, какой по определенным причинам не пригодился при формировании Солнечной системы. На ранних стадиях частицы сливались в крупные объекты в результате гравитационной аккреции. Но мощное влияние Юпитера, уже сформировавшегося к тому времени, не позволило завершить слияние.

Каждый астероид прошел долгий эволюционный путь. Нагревание и остывание поверхности, столкновения с другими объектами и космическое выветривание привело к значительным изменениям. То, что сейчас вращается по орбите, – лишь малая часть, оставшаяся от первоначального материала, сколько бы его ни было.

Согласно компьютерному моделированию, исходная масса скопления астероидов приравнивалась к земной. Но из-за гравитационных колебаний большинство объектов буквально вытолкнуло за пределы кольца.

Обнаружение пояса астероидов

Наблюдения за областью, где расположен пояс астероидов, велись еще в XVIII в. На этом участке неба астроном Ксавер фон Зак надеялся найти недостающую планету, чье существование предполагало открытое чуть ранее правило Тициуса-Боде.

К началу XIX в. итальянец Джузеппе Пьацци смог наблюдать Цереру, приняв ее изначально за комету. Прошло чуть больше года, когда Генрих Ольберс обнаружел в той области Палладу. Перемещение этих объектов указывало на наличие орбит. Уильям Гершель ввел для них понятие «астероидов». До 1845 года были обнаружены Веста, Джуно и Астрея. С этого момента предложенный термин вошел в широкое употребление, а фиксация подобных объектов стала происходить все чаще.

Появление метода астрофотосъемки, изобретенной астрономом Вольфом, сделало возможным обнаружить главный пояс астероидов. Входящие в его состав тела при съемке оставляли на небе длинные следы. К 1921 году было обнаружено 1000 объектов, а к 2000 году их количество возросло до 100 тысяч.

Современные исследования

С появлением космических аппаратов стало реально исследовать небольшиие удаленные объекты. Первым, пролетевшим сквозь астероидное кольцо, был Пионер-10 (1972 г.), направленный к Юпитеру. Затем последовали Вояджер, Уллис, Галилео и др. Но все они выполняли миссии по исследованию внешних планет.

Космический зонд NEAR Shoemaker разработали специально для изучения участка между внутренними и внешними планетами. Орбитальные исследования Эроса – целиком его заслуга. Получить образцы грунта с астероида Итокава получилось за счет запуска аппарата Хаябуса. Японский зонд смог отправить образцы на Землю для дальнейших исследований. Высококачественные снимки главного пояса удалось получить, используя космическую станцию DAWN, направленную к Весте. За 2011-12 годы аппарат сделал более 70 тысяч фото.

Поскольку объекты кольца сильно отдалены друг от друга, вероятность столкновения одного из них с зондом минимальная. Ученые планируют исследовать ресурсы астероидов, ведь многие объекты содержат в составе редкие элементы. Вопрос колонизации остается открытым.

Характеристика отдельных астероидов главного пояса

В таблице приведены основные характеристики крупнейших объектов, входящих в состав астероидного кольца:

Астероид	Диаметр усредненный (км)	Объем (109 км3)	Масса (1021 кг)	Плотность (г/см3)	Гравитация (м/с2)	Класс	Спутник	Семья
Церера	950	0,437	0,95	2,16	0,27	S	—	—
Паллада	512	0,078	0,211	2,8	0,2	В	—	Паллады
Веста	525,4	0,078	0,259	3,46	0,25	V	—	Весты
Гигея	407,12	0,04	0,089	2,5	0,143	С	—	Гигеи
Эрос	16,84	0,00003	0,00007	2,67	0,006	S	—	АС3 (Амуры)
Ида	32	—	0, 00005	2,6	0,01	S	Дактиль	Корониды
Аннафранк	4,8	—	0,0000013	2,3	—	S	—	Августы
Матильда	52,8	0,00007	0,0001	1,3	0,0099	С	—	—
Интерамния	326	—	0,039	2,2	0,186	F	—	—
Сильвия	292	—	0,015	1,2	0,073	Х	Ромул и Рем	Кибелы

Часто задаваемые вопросы

Изучение пояса астероидов – одна из важнейших задач астрономов на сегодняшний день. Но, несмотря на активные исследования, многие вопросы до сих пор не нашли ответов. За последние десятилетия удалось существенно расширить базу знаний, которые помогли больше узнать о зарождении Солнечной системы, влиянии отдельных планет именно благодаря данным, полученным из области астероидного кольца.

Насколько далеко от Земли находится пояс астероидов

Объекты внутреннего пояса удалены от Земли на 149,5 млн км, внешнее кольцо – на 329,1 млн км. Астероиды, которые в этот момент находятся с противоположной относительно Солнца стороны, удалены на 3,2-4,2 а. е.

Количество астероидов в главном поясе

Астероидами могут называться космические тела с диаметром, превышающим 30 м. Объекты меньших размеров относятся к метеороидами. Согласно исследованиям, кольцо содержит не менее 1,7 млн объектов длиной свыше 1 км, из них не более 1,5 тысяч превышает 15 км. Именованных объектов при этом 300 тыс., пронумеровано около 600 тыс.

Какой самый крупный объект в поясе астероидов

Церера является крупнейшим объектом asteroid belt. Ее открыли первой в 1801 г. в Палермо. Объект, названный в честь античной богини плодородия, относят к категории карликовых планет из-за относительно симметричных размеров и наличия твердого ядра, окруженного мантией. В 2014 г. Вокруг Цереры была обнаружена атмосфера, состоящая из водяного пара.

Почему вместо пояса астероидов не образовалась планета

Астероиды являются протопланетным веществом, которое осталось в виде разрозненного скопления частиц с момента рождения Солнечной системы. Планета здесь просто не могла образоваться, поскольку гравитационное поле Юпитера оказалось сильнее солнечного на этом участке, не позволив объектам из внешнего кольца слиться воедино.

Что за красные объекты обнаружили в поясе астероидов

Японским агентством аэрокосмических исследований летом 2021 г. был проведен спектральный анализ двух астероидов — Юстиции (D55 км) и Помпеи (D110 км). Их поверхность отражает больше красного цвета, чем любые другие объекты в этой области. Связано это с присутствием в составе поверхностного слоя углеродистых соединений, таких как метан. Предположительно, эти скальные образования могли мигрировать с окраин Солнечной системы, из пояса Койпера, свыше 4 млрд лет назад, о чем свидетельствует стабильность их орбит.

Возможно ли добывать ископаемые в поясе астероидов?

Ученые давно обсуждают использование астероидов в качестве источников добычи полезных ресурсов. Например, Психея почти полностью имеет железно-никелевый состав. Стоимость куска металла таких размеров баснословна. Многие объекты имеют в своих недрах драгоценные металлы или редкие химические элементы. Но добывать ископаемые в условиях открытого космоса пока невозможно, поскольку технологий для этого нет.

Интересное видео: