Забытое открытие: как двойные астероиды изменили наши представления о Солнечной системе

В наше время предполагается, что в современном информационном обществе нельзя ничего скрыть – включая важные правительственные секреты, часто извлекаемые из открытых источников. Тем более, считают многие, нельзя не заметить то, что не скрывают.

Увы, практика показывает, что это заблуждение. В 2012 году автор этих строк столкнулся с интересной работой американского исследователя, из которой узнал, что воду на Луне открыли советские специалисты, анализировавшие образцы грунта спутника, доставленные оттуда «Луной-24».

Тогда он задумался: почему он узнает об этом, читая по-английски, а не по-русски? Ведь в теории, открытие значимое, и о нем ему должен был рассказать отечественный наупоп? Чтобы долго не ломать голову, все было списано на недостаточное энергичное продвижение открытия самими его авторами. К сожалению, последовавшие события показывают, что ситуация куда сложнее, чем кажется.

Кто и когда открыл двойные астероиды?

В конце 1980-х году система советских научных учреждений – особенно в провинции – стала испытывать нарастающие трудности с получением импортных материалов. За особо чувствительные и качественные фотопластины из Германии и США надо было платить валютой, которую государство все менее охотно отпускало на научные цели. В результате, как вспоминает Людмила Карачкина, один из наблюдателей Крымской обсерватории той поры (ее письмо имеется в распоряжении NS),

Поэтому от съемки на фотопластины группа астрономов-наблюдателей во главе с Валентиной Владимировной Прокофьевой-Михайловской переключилась на телевизионные наблюдения – в том числе, и астероидов Главного пояса Солнечной системы, лежащего между орбитами Марса и Юпитера. Сперва группа Прокофьевой планировала просто определить периоды вращения астероидов.

Разные участки этих тел имеют разную отражательную способность, и когда за какой-то период отражаемый астероидом свет повторяется – это и интерпретируют как его период вращения. С 26 апреля по 11 мая 1989 года в Крымской астрофизической обсерватории были проведены наблюдения астероида Сильвия, и именно они и стали основой будущего крупного открытия.

После накопления самих наблюдательных данных настал длительный период их интерпретации. Ею занимались сама В.В. Прокофьева-Михайловская и М.И. Демчик, тогда – вчерашний студент. Оказалось, что не все с периодами вращения так просто – кривые блеска менялись более сложным образом, чем ожидалось. Так, как если бы вокруг астероида 87 Сильвия, например, вращался еще один астероид, поменьше. Частотный анализ фотометрических данных астероидов вели с помощью алгоритмов В.В. Прокофьевой-Михайловской.

Изменение цвета по мере вращения астероида также несло информацию о возможной «двойственности» природы наблюдаемого тела – то есть того, что по факту оно состоит из двух тел. После долгой и кропотливой работы над пониманием ситуации Прокофьева и Демчик опубликовали две коротких статьи в «Кометном циркуляре» (тогда он еще выходил в Киеве) и «Астрономическом циркуляре» (до сих пор выходит в Москве). В них недвусмысленно утверждалось: астероид 87 Сильвия – двойной. Сами тексты без похода в библиотеку найти непросто, поэтому мы приложили их в виде иллюстраций.

Чтобы оценить смелость обоих исследователей, стоит напомнить: на дворе шел 1992 год. Тогда астрономы считали, что астероиды – всего лишь строительный материал, оставшийся от периода формирования планет Солнечной системы. Поэтому своих спутников у них быть не может. Ведь имевшиеся на тот момент модели появления спутников «позволяли» им формироваться лишь из протоспутникового диска, который мог достигать значительных размеров только у по-настоящему больших планет-гигантов. На тот момент даже то, как у Земли возникла Луна, оставалось не вполне понятным – что уж тут говорить об астероидах.

Далеко не всем ученым, работающим с наблюдениями и экспериментами, хватает смелости на публикацию результата, противоречащего господствующим теориям. Напомним пример выше: в 1979 году в СССР обнаружили воду в лунном грунте, но вышли про это только краткие статьи в «Геохимии», а вот в итоговые сборники по результат изучения лунного грунта ничего этого не включили.

Причина проста: большинство ученых очень чувствительны к своей репутации. Сделать громкое утверждение об открытии, которое потом не оправдается – удар по репутации, и большой. Поэтому в истории науки полно случаев, когда человек что-то открыл, но так и не рискнул «подставиться», опубликовав свою работу. Например, Карл Гаусс долго размышлял над неевклидовой геометрией, но так и не рискнул сделать публикацию на эту тему.

Чтобы просто решиться на утверждение «астероиды могут быть двойными», нужна была большая смелость – прецеденты жесткой критики за саму идею спутника у астероидов уже были. 11 декабря 1978 года американские астрономы наблюдали «затмение» далекой звезды, когда между ней и Землей прошел астероид Мельпомена. Но такое «покрытие» было не разовым, а прерывистым: как будто у Мельпомены был спутник, и не один.

Как писала в популярной работе 1985 года советская исследовательница Симоненко: «Эти результаты показались настолько необычными, что вызвали недоверие». Когда очень хочется к чему-то придраться – то всегда можно найти к чему, и критики списали наблюдения на легкую облачность, что была в ночью наблюдения.

Симоненко считала сомнения астрономов в наблюдениях спутников астероидов оправданными: в рамках идей того времени казалось, что устойчивое существование спутников у астероидов крайне маловероятно – в короткие сроки такой спутник «должен был» (согласно теоретическим взглядам) либо покинуть родительское тело, либо упасть на него.

И все же Прокофьева и Демчик после тщательных перепроверок решились опубликовать свои наблюдения в научной литературе, тем самым получив статус первых ученых, недвусмысленно заявивших о таком открытии. Как верно замечает Людмила Карачкина: «Открытие двойных астероидов именно у нас в телевизионной группе было той случайностью, которая зиждется на десятке железных закономерностей» – и это в самом деле так. Не было бы открытие закономерным – Прокофьева и Демчик не стали бы ставить свою научную репутацию на однозначное утверждение «Астероид 87 Сильвия – двойной«.

Но на Западе об этом не узнали в девяностые, не знают сегодня и вряд ли будут знать завтра. Советские научные издания там в норме никто не читал – даже если содержание их было изложено и на английском.

Подавляющее большинство ученых – тогда на Западе, а сегодня и в нашей стране – следят за довольно ограниченным числом научных журналов по теме, а еще – за серверами препринтов (в 1992 году последних, конечно, не было). Обо всем остальном они, как и прочие граждане, узнают из научпопа – ну, или не узнают.

Специфика 1990-х годов была в том, что в постсоветcких обществах наблюдалась резкая просадка в активности научпопа. Населению во многом было не до периодики, ее тиражи упали, активность работающих в отрасли людей – тоже. Иное время требовало иных героев, из мира, немного далекого от науки, по крайней мере – астрономии. Поэтому об открытии почти никто не узнал не только в западном, но и постсоветском научном мире.

Между тем, открытие было крайне значимым. До 1992 года в Солнечной системе были известны четыре класса объектов: звезда (одна), планеты (восемь «настоящих» и много «карликовых»), спутники планет (открыты Галилео Галилеем в 1609 году) и астероиды (открыты в XIX веке). Если посчитать за принципиально новый тип тел транcнептуновые объекты, то к этим двум первооткрывателям можно добавить еще и Клайда Томбо, в 1930 году открывшего Плутон. Обратите внимание: речь идет о крайне заслуженных астрономах, причем последний из них сделал свое открытие 90 лет назад.

И вот к этому списку в 1992 году добавилось еще двое, открывших пятый, новый тип объектов Солнечной системы – спутники астероидов. Открытие, которое, как мы покажем ниже, серьезнейшим образом изменило представления астрономов о развитии нашей системы в целом.

Почему астрономы считали спутники астероидов невозможными?

Если мы хотим знать, как построен дом, то должны понимать, из чего его строили. Для Солнечной системы «кирпичам» планет были планетезимали – то есть, попросту говоря, астероиды. Поэтому долго считалось, что те, что остались – попросту «невостребованные кирпичи» нашей системы. Само собой, свойства «кирпичей» и «домов» отличаются, поэтому-то никто и не ожидал увидеть у астероидов спутники.

Главное отличие заключается в механизме образования. Считается, что исходно все вещество в протопланетном диске вокруг молодого Солнца было представлено пылинками и газом. Пылинки случайно соударялись друг с другом, при этом их средняя скорость падала – ведь кинетическая энергия пылинок гасилась друг о друга.

За счет этого пылинки после столкновений все чаще не разлетались в разные стороны, а слипались, образуя все более и более крупные тела. Когда их диаметр превысил километр, гравитация таких тел стала достаточной, чтобы они начали притягивать друг друга, а не просто хаотично сталкиваться только с теми телами, что находились прямо на их пути.

Километровые и более тела называют планетезималями – а те из них, что достигли 100 километров в диаметра – «зародыши» протопланет. При их столкновении друг с другом образовались планеты. Часть из них были гигантскими и богатыми легкими элементами – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Лишь их ядро состояло из плотных пород, внешняя оболочка включала много газа и льда. Другие планеты – более близкие к Солнцу – образовались из протопланет, в которых было мало легких и высоколетучих веществ.

В такой системе представлений спутники могут образоваться всего тремя методами. Во-первых, от протопланетных облаков, из которых позднее возникли гигантские планеты. Во-вторых, в виде обломков соударений на орбитах вокруг небольших, твердых планет. У тех гравитация была недостаточной, чтобы в их протопланетном облаке могли образоваться крупные спутники – но при этом, в случае Земли, Луна явно есть. В-третьих, часть спутников может быть захваченными из внешнего пространства астероидами (Фобос и Деймос у Марса) или карликовыми планетами (Тритон у Нептуна).

Часто «захваченных» можно отличить по «неправильной» орбите. Если планета и спутник формировались из одного протопланетного облака, то и вращаться они должны в одну сторону – туда, куда вращалось некогда это самое облако. Тритон же вращается «против шерсти», в направлении, противоположном направлению вращения Нептуна.

Иными словами, в астрономии длительное время доминировало мнение, что спутники возникают в результате процессов формирования планет или захвата гравитацией этих планет близко пролетающих астероидов.

Само собой, для спутников астероидов в такой схеме было мало место. Очевидно, что они не прошли через те же процессы, что и планеты в период их формирования. У них не могло быть заметного протоспутникового диска, как у гигантских планет.

При столкновении с другими астероидами спутники, по логике, тоже не могли образоваться: гравитация типичного астероида в десятки, сотни и тысячи раз слабее земной. Даже крупнейшее тело пояса астероидов, Церера, теряет любое тело, выбитое из ее поверхности, если его скорость превышает 0,51 километра в секунду. Средняя скорость соударений в поясе астероидов – порядка 5 километров в секунду. То есть обломки, выбитые падением другого тела на астероид должны улетать в космос, а не образовывать спутники на орбите астероида.

А почему эти спутники все же существуют и как это связано с Луной и Солнечной системой в целом?

Чтобы понять каким образом у астероидов могли бы возникнуть спутники, Прокофьева-Михайловская и ее соавторы в 1995 году выпустили статью («Спутники астероидов», Успехи физических наук) с попыткой оценки того, как же могли возникнуть спутники астероидов.

В самом начале истории Солнечной системы вокруг многих астероидов должен был вращаться весьма маломассивный протоспутниковый диск, причем в ту же сторону, что и сам астероид. Сам по себе он не мог бы стать источником нынешних спутников малых тел: такой диск по массе много меньше, чем у типичного спутника астероида.

По мере падения на астероид других мелких тел (других астероидов и метеороидов) образовывались обломки. Часть из них «выбивало» в том же направлении, куда вращался и сам астероид и его простоспутниковый диск. Те обломки, что вылетали из астероида против направления его вращения, от столкновения с протоспутниковым диском свою энергию теряли – то есть их скорость снижалась, и они падали на астероид.

Те обломки, что летели по направлению вращения протоспутникового диска оказывались в ситуации, когда уже не могли быстро потерять свою скорость и упасть обратно на астероид. Ведь последующие волны обломков сталкивались с «зародышем» спутника астероида, и придавали ему дополнительный импульс (и массу). В результате спутник астероида рос и постепенно отдалялся от самого астероида.

В такой ситуации на астероидах могут действовать два основных сценария дальнейшего развития событий с их спутниками. Если те начнут постоянно активно наращивать свою массу за счет потока пыли и камней с поверхности родительского астероида, то расстояние между спутником и самим астероидом со временем начнет сокращаться.

В конечном счете спутник плавно «сядет» на астероид, образовав характерную фигуру «снеговика» – двух сфер, одна из которых (бывший родительский астероид) чуть больше другой (бывшего спутника астероида). Вариант такого развития событий: спутник может врезаться в свой астероид, пробороздив на его поверхности каньоны, как на Весте, в поясе астероидов (на иллюстрации).

Второй возможный сценарий эволюции спутника – приливное ускорение. В нем центральное тело тормозит свое вращение вокруг собственной оси, передавая часть этой энергии своему спутнику за счет приливного ускорения. Каждый из нас видит такой сценарий с детства, хотя и не осознает этого: Луна тормозит вращение Земли и за счет этого сама все больше (хотя и крайне плавно) удаляется от нашей планеты.

Авторы работы 1995 года отмечают, что механизмы формирования спутников у астероидов и у планет очень сходны. Именно на этой теоретической основе в 2007 году в «Известиях Крымской астрофизической обсерватории» появилась статья, объясняющая образование Луны по тому же самому механизму.

Интересно, что анализ механизма образования спутников у астероидов и твердых планет позволил и лучше понять то, как образовались спутники планет-гигантов с «неправильным» вращением «против шерсти» — типа Тритона у Нептуна. Вопреки рисовавшимся ранее картинам, тот же Тритон не был целиком захвачен гравитацией Нептуна. Он образовался уже на орбите вокруг планеты-гиганта.

Происходило это за счет взаимодействия захватываемых Нептуном астероидов со все тем же разреженным протоспутниковым диском. Астероиды, которые огибали планету в прямом или обратном направлении, сталкивались частицами и газом из «прямого» (направление вращения совпадает с направлением вращения планеты) протоспутникового диска. Если захваченный астероид сам имел обратную орбиту, то его скорость и скорость частиц протоспутникового диска при столкновении складывались. В таком случае торможение астероида осуществлялось намного эффективнее, чем если он был прямым,

Кроме того, влияние гравитации Солнца делает обратные орбиты спутников гигантских планет стабильнее прямых. И чем дальше спутник от своей планеты, тем более стабильной будет именно обратная орбита. Как отмечает физик Николай Горькавый, автор модели мультиимпактного формирования спутников за счет столкновения астероидных обломков с протоспутниковым диском, это особенно хорошо видно на примере спутников Сатурна и Нептуна.

Например, обратный спутник Сатурна Феба заметно массивнее обратных спутников Юпитера: захват массы астероидов на обратных орбитах у далеких планет явно был эффективнее. Среди спутников Нептуна вообще почти вся масса приходится на Тритон, тело, крупнее Плутона и при этом вращающееся по обратной орбите вокруг Нептуна.

Вырисовывается закономерность: чем дальше планета от Солнца, тем дольше она подвергалась обстрелу астероидами, тем больше и массивнее у нее в итоге обратные спутники. Обратные спутники Юпитера менее массивны, чем обратные спутники Сатурна, а те, в свою очередь, менее массивны, чем обратные спутники Нептуна

Какие практические последствия имеет открытие двойственности астероидов?

Из изложенного выше ясно: открытие двойных астероидов изменило представление о том, как формируются спутники в Солнечной системе и, скорее всего, в других системах тоже. Благодаря этому мы стали лучше понимать, как возникла Луна. Более того, из такой модели следует, что Луна – вовсе не безводное тело, какой ее представляли до недавнего времени.

Потому что выходит, что Селена возникла не из расплавленных обломков Тейи и нашей планеты, а из «холодных», не расплавленных обломков Земли. Тогда под ее поверхностью может прятаться заметно количество воды. И не только под ней: по последним данным, в полярных районах Луны не менее ста миллиардов тонн водного льда. В теории, относительная «водность» Селены – уже неплохая практическая отдача. Зная о ней, можно запланировать поиск водного льда в лавовых пещерах.

Но есть и другой важный момент. Как известно, астероиды – крупная (или даже крупнейшая) угроза вымираний для жизни на Земле. По современным представлениям именно они вызвали как минимум вымирание динозавров и, возможно, еще более крупное пермское вымирание.

По оценкам, 10% всех астероидов Солнечной системы могут иметь спутники – то есть подавляющее большинство спутников в принципе – это именно спутники астероидов. Бороться с падением на Землю астероида технически вполне можно. Для этого хватит одной ракеты с достаточно мощной термоядерной боеголовкой. Однако если у такого астероида будет спутник – да еще и вовремя не открытый – то после разрушения основного тела он продолжит свой полет к нашей планете.

То есть каждый отдельный спутник опасного для нас астероида – это еще один опасный астероид. Отклонить от столкновения двойное тело будет вдвое сложнее, а тройное – втрое. Кстати, астероид Сильвия, спутник у которого открыли в Крымской обсерватории, в результате дальнейших наблюдений признали даже не двойным, а тройным – то есть, спутников-астероидов у него сразу два, а не один.

Интересно, что если заранее разузнать, есть ли у опасного для нас астероида спутник. и каковы его параметры, то можно попробовать отклонить оба тела с помощью всего одного земного аппарата. Дело в том, что астероид редко врезается в нашу планету сразу. В норме он сперва пролетает поблизости от нее по эллиптической орбите, а потом раз за разом сближается на все меньшее расстояние, пока не столкнется.

Если аппарат перхватчик за годы до возможного столкновения ударится о поверхность спутника астероида и изменит тем самым параметры его орбиты, то гравитация спутника может так изменить траекторию его астероида-хозяина, что никакого столкновения не будет – как на видео ниже.

Вывод: астрономам следует по возможности заранее выявить спутники у всех потенциально опасных для Земли астероидов. И чем раньше – тем лучше.

Об опасности нераспространения знаний

Итак, открытие двойных астероидов начало новую эпоху в астрономии. Благодаря нему выяснилось, что спутники имеют общие, универсальные механизмы формирования для разных тел. Удалось понять, как образовалась Луна, почему на ней есть вода, и что от астероидной угрозы защититься может быть сложнее, чем мы думали. Наконец, стало понятно, как возникли такие космические тела как «снеговики» в поясе Койпера (на фото выше) или такие странные явления как ударные каньоны и кратеры-снеговики на астероидах Главного пояса. Все это – несомненные плюсы.

Но есть в обрисованной ситуации и минусы. Следует понимать, что на Западе не только считают, что двойные астероиды открыл «Галилео», но и не в курсе той теории универсального механизма образования спутников, что возникла на базе открытия этих двойных астероидов. Там по-прежнему считают, что Луна возникла от удара Тейи, и что малые планеты-«снеговики» возникли за счет какого-то фантастического стечения обстоятельств.

В этом нет ничего необычного. В начале текста мы уже приводили пример, как советские данные по лунной воде игнорировались за пределами СССР. Ранее NS писал о сходной ситуации в археологии и антропологии: научные результаты латиноамериканских археологов десятками лет игнорировались американской археологией, что не могло не задержать развитие наших представлений о заселении Нового Света.

Негативная сторона этого явления – огромная трата времени ученых, вынужденных раз за разом переоткрывать то, что уже открыли до них. И ладно если речь просто о первооткрытии спутника астероида Сильвии, которое в США случилось уже в XXI веке. Хуже, если речь идет о напрасной трате времени в области кропотливой теоретической работы.

Вслед за работой физика Николая Горькавого от 2007 года об образовании двойных астероидов и Луны сходные по содержанию работы вышли в 2014 и 2015 годах – причем последняя на Западе. Однако авторами ее были израильские исследователи, поэтому в американской научной литературе по вопросу мультиимпактная теория образования Луны все еще никем не оспаривалась – с высокой долей вероятностью, все эти публикации там так и остались незамеченными большинством исследователей.

От этого на сегодня в США все еще ищут возможности как-то залатать нестыковки в мегаимпактной теории образования Луны, объявив, как же на ней смогли сохраниться легкие элементы, если ее материал был расплавлен. Трудно даже посчитать, сколько человеко-часов исследователей было потрачено на попытку поддержать на плаву гипотезу, устаревшую еще в 1990-х годах, после открытия двойных астероидов. Еще труднее сказать – когда же эта ситуация наконец закончится, и результаты многолетней давности станут, наконец, доступны теоретикам по всему миру.

Увы, в этой истории заметная часть вины не на собственно западных астрономах, недостаточно внимательно следящих за научными публикациями в России. Как мы уже отмечали, современная специализация в науке такова, что часто ученые узнают о существовании новых работ по своей теме из научпопа.

Надо признать, что русскоязычный научпоп не сделал ровно ничего для того, чтобы ознакомить граждан собственной страны с фактом открытия двойных астероидов советскими астрономами. И очень мало для того, чтобы ознакомить кого-либо с теми теоретическими последствиями, которые это открытие имеет для понимания всей истории Солнечной системы.

Когда в США умер Клайд Томбо, открывший Плутон, об этом широко писали даже в прессе, далекой от научпопа. Когда в России в 2020 году умерла В.В. Прокофьева-Михайловская — много ли мы увидели об этом сообщений в прессе? Мы не можем всерьез спрашивать с западного научного мира за то, что он чего-то не знает о нашей науке. Ведь в этом, по сути, виноваты сами.