 |
Астронет: Е. М. Патрушев/УрГУ Астероид Эрос. Миссия космического аппарата NEAR-Shoemaker http://variable-stars.ru/db/msg/1176983/node6.html |
<< 3. Космический эксперимент ... | Оглавление | 5. Небесная механика NEAR >>
4. Исследования и их результаты
4.1. Первые данные
Первые поверхностные данные об Эросе были получены 21-23 декабря 1998 года, во время первого сближения с космическим аппаратом NEAR. Прежде всего, астрономы с помощью снимков уточнили размеры астероида 33*13*13 км, что несколько меньше оценок, сделанных по наземным наблюдениям (40.5*14*14). Кроме того, фотографии позволили построить трехмерную компьютерную модель этого небесного тела. Заметим также, что поверхность астероида сильно усыпана кратерами, наибольшее из которых имеют диаметр 6-6.5 км. Обработка фотографий позволила выявить на поверхности Эроса весьма интересную деталь огромную борозду, протянувшуюся на целых 20 км. Откуда взялся этот шрам , можно лишь гадать. Во всяком случае, его присутствие говорит о весьма неспокойной юности космического странника. По мнению планетолога Джозефа Виверки из Корнелльского университета (США) эта структура говорит о том, что Эрос скорее однородное тело, нежели конгломерат слипшихся булыжников . Ученые предположили, что астероид может представлять собой осколок космического тела, имевшего куда большие размеры и расколовшегося в результате столкновения с другим астероидом или кометой.
Помимо самого Эроса, NEAR фотографировал и его ближайшие окрестности с целью обнаружения возможных спутников этого астероида, подобных маленькому Дактилю, найденному космическим аппаратом Галилео у малой планеты Ида. Но поиски не увенчались успехом. Впрочем, на этом этапе исследований ученые по этому поводу осторожно заметили, что пока ясно лишь то, что у Эроса нет спутников размером более 100 м в поперечнике. Гравитационное воздействие астероида, изменившее орбиту NEAR, позволила определить плотность этого тела. По предварительным данным, она равна 2.7 г/см3, что сравнимо с плотностью земной коры. Это подтверждает существовавшее мнение, что Эрос силикатный (каменный) астероид. Для сравнения, плотность пористой углеродной малой Матильды почти в два раза меньше. Эта вся информация об Эросе, полученная во время первой его встречи с КА NEAR.
4.2. Форма и содержание
Когда 14 февраля 2000 года аппарат вышел на орбиту вокруг астероида, ученые уточнили ранее полученные данные и получили возможность для более глубокого и детального исследования.
Уже в начале марта 2000 года аппарат перешел на почти круговую орбиту с высотой 200 км, а в апреле снизился до 100 км. В это время ученые постепенно уточняли распределение массы внутри астероида. Для этого на борту NEAR был установлен специальный передатчик, работающий на чистоте 8438 МГц. В этом эксперименте точнейшим датчиком гравитационного поля Эроса служил сам зонд, чутко реагирующий на все особенности гравитационного поля астероида изменением скорости, которая определялась по доплеровскому сдвигу частоты приходящего сигнала с точностью до 0.1 мм/с.
Для того чтобы из параметров орбитального движения зонда получить распределения масс внутри астероида, нужно было знать его точную форму. Это было отдельной и очень сложной задачей. На борту NEAR был установлен лазерный дальномер, который позволял измерять расстояния до любой точки поверхности под аппаратом с точностью до 0.5 метра. Проводившаяся параллельно с работой лазерного дальномера съемка Эроса позволяла строить все более и более точную трехмерную модель астероида.
В итоге выяснилось главное: внутри Эрос однороден, не имеет пустот и уплотнений. Его плотность почти одинакова по всей глубине и весьма близка к плотности земной коры.
Основные параметры астероида таковы: масса - 6.687 триллионов тонн, средняя плотность - 2.67 г/см3, размеры - 33*13*13 км. Высказывавшееся первоначально предположение о слоистой структуре Эроса с тяжелым ядром и более легкой внешней оболочкой не подтвердилось [11].
4.3. Глобальные структуры
На первом же снимке Эроса, полученным 14 февраля 2000 года, обнаружили сразу две неожиданные особенности поверхности астероида. Первая это области аномально высокой яркости с поперечником до 1 км, которые покрывали внутренние стенки большого кратера, получившего впоследствии название Психея. Другая особенность длинные прямые желоба, пересекающие борта этого кратера и тянущиеся далеко за его пределы. Как оказалось в дальнейшем, обе эти особенности не являются уникальными атрибутами именно этого снимка, а являются широко распространенными элементами поверхности Эроса.
Поверхность любого космического тела, лишенного атмосферы, покрыта слоем реголита размельченного грунта, подвергшегося ударной бомбардировке и воздействию космических лучей. Эрос в этом смысле не исключение. Это подтвердили и инфракрасные наблюдения (реголит обладает гораздо более низкой тепловой инерцией, чем камень), и многочисленные снимки поверхности. Толщина слоя реголита в различных районах различна, однако на Эросе существуют очень покатые участки (местами просто вертикальные обрывы), на которых сыпучий реголит удержаться не может и сползает вниз [2].
Обнаруженные на стенках многих кратеров яркие участки буквально поставили ученых просто в тупик, ибо пока совершенно не ясно, какой именно процесс может породить такие четко оконтуренные яркие пятна на обычно темной поверхности реголита. Наличие вертикальных обрывов, хребтов, желобов, котловин и других топографических деталей, свидетельствующих о деформации тектонического характера, заставляет нас сделать удивительные выводы о том, что Эрос, во-первых, обладает определенной прочностью, без которой эти структуры просто не могли бы существовать, а во-вторых, что его история гораздо интереснее, чем простая бомбардировка телами меньших размеров.
|
|
|
Рис. 8. Яркие пятна на стенках кратеров состоят из недавно обнаруженного реголита, который, сползая к днищу, часто образует фигуры, похожие на длинные языки. |
|
|
|
Рис. 9. Квадратный кратер. |
|
|
|
Рис. 10. Фотографии, сделанные при посадке на поверхность астероида Эрос. |
|
|
|
Рис. 11. Снимок с 50-километровой орбиты. |
Тщательная работа по картографированию поверхности астероида позволила выявить и другую особенность Эроса многочисленные системы желобов и гребней, которые часто пересекают стенки и днища кратеров, а также друг друга. Один из гребней опоясывает астероид в его узкой части на треть длины его окружности! Ничего подобного астрономы еще не находили ни на одной малой планете или астероидоподобном спутнике. Вначале было высказано предположение, что желоба и борозды на Эросе могли быть вызваны движением (качением) валунов. Однако при внимательном изучении снимков не было найдено ни одного примера, где борозда закончилась бы на конце валуном, сравнимым по размеру с ее шириной. К тому же вскоре появились снимки с квадратными кратерами, которые свидетельствовали о достаточно твердой структуре астероида. Можно допустить, что катящийся желоб на мягкой или рыхлой поверхности, но сделать это на жесткой породе, имеющей свою внутреннюю структуру, весьма проблематично, даже при размерах валунов в несколько десятков метров [4].
Скорее всего, протяженные желоба и гребни могут считаться явным признаком того, что Эрос имеет некоторую глобальную внутреннюю структуру. Могла ли она образоваться, скажем, в результате слипания мелких планетезималей и пыли? Астрономы полагают, что этот вариант маловероятен. Одна из возможных интерпретаций этой глобальной структуры заключается в том, что она является поверхностным проявлением стратиграфии Эроса, то есть его слоистой структуры, которая возникла еще в то время, когда астероид был частью большого родительского тела, и которая отражает его былую геологическую активность. Другая интерпретация заключается в том, что эта структура является результатом крупномасштабных разломов внутри Эроса, вызванных колоссальными соударениями, которые могли случиться с его родительским телом (сам Эрос из-за сравнительно малой массы и размеров при таких ударах, скорее всего, разнесло бы на части).
4.4. Кратеры и валуны
Топография оказалась весьма разнообразной. Главной ее особенностью - кратер диаметром 5.5 км и 10-километровая седловина (вероятно также ударного происхождения).
Уже по первым снимкам Эроса был сделан вывод о том, что его поверхность является весьма древней, подобно поверхности другого хорошо изученного астероида Иды. Плотность гигантских кратеров на Эросе не так высока, как, например, на Матильде. Однако недостатка кратеров средних и больших размеров, в отличие, например, от Гаспры, на Эросе нет. Гаспра не так сильно изрыта кратерами, значит поверхность древнее, или по каким-то непонятным причинам интенсивность кратерирования этих двух астероидов сильно различалась. Но главным сюрпризом, преподнесенным впоследствии снимками с более низких орбит, оказалось другое: Эрос усеян валунами и испытывает острый дефицит кратеров мелких размеров! Внятного и убедительного объяснения этим двум фактам не найдено до сих пор.
Начнем с первого. Когда в конце апреля 2000 года аппарат перешел на 50-километровую орбиту, многие снимки обнаружили на поверхности астероида настоящее изобилие валунов от 30 до 100 м в поперечнике. Эти валуны оказались загадочными во многих отношениях. Некоторые из них выглядели угловатыми, другие округлыми. Это наталкивало на мысль о том, что они имеют различное происхождение. Возможно, первые являлись осколками столкновений, а вторые просто слипшимися фрагментами грунта, а вовсе не камнями.
Оказалось, что распределение этих валунов по поверхности Эроса неоднородно и не имеет какой-либо очевидной связи с большими кратерами или низинами на астероиде. Дальнейшая съемка показала, что эти валуны просто вездесущи. Да, Эрос подвергался значительной бомбардировке. Да, высокие скорости соударений выбрасывали множество осколков. Но! Гравитация на Эросе так слаба, что и интуиция, и расчеты убеждают: подавляющее большинство образовавшихся в результате этих соударений осколков и поднятый с поверхности материал астероида должны были бы улетать прочь! Вторая космическая скорость на поверхности Эроса ничтожна от 3 до 17 м/с в различных его частях. Почему же валуны не покинули астероид? Гипотезы уже появились, однако один из научных руководителей программы, Джозеф Веверка, все же заметил: Боюсь, что мы еще слишком мало знаем о процессах соударений на малых телах .
Однако NEAR обнаружил, что наибольшие осколки были извлечены из воронки, которой дали имя Shoemaker. Она образовалась в результате столкновения с метеоритом около миллиарда лет назад. Все эти обломки распространились по поверхности в результате одного большого столкновения , - предположил Питер Томас, член группы NEAR и старший исследователь отдела астрономии в университете Cornell. Томас оценил распределение скал и посчитал их, около 30 тысяч скал. Он смог сделать это с помощью программного обеспечения, созданного Дж. Джосефом, аналитиком из университета Cornell. Программное обеспечение позволило исследователю маркировать скалы таким образом, что в файл данных записывалась информация о размерах и моделируемой позиции скалы.
Почти половина (44%) из обнаруженных скал находится в воронке Shoemaker, расположенной около одного из концов астероида, который имеет вид удлиненной картофелины. Так же оказалось, что большие скалы, расположенные вдоль экватора астероида тоже извлечены из воронки Shoemaker. Была смоделирована траектория материалов запущенных из области воронки Shoemaker, а также из других мест на Эросе. Моделирование включало в себя запуск частиц со скоростями от 0.5 до 11.5 м/с. Произвели 40 запусков с поверхности, радиально из центров выбранных воронок, и следуя за ними до падения. Ускорение определяется исходя из модели однородной плотности Эроса. Скорости запуска относительно поверхности добавлены к локальным вращающимся векторам. Смоделированная картина почти совпала с распространением обломков на поверхности эроса. Например, прогноз сравнительно большого числа обломков из воронки Shoemaker на восточном склоне воронки Himeros совпал с наблюдаемым распространением.
После исследования воронки Shoemaker, для ученых осталось тайной, почему то же не случилось с двумя другими большими воронками Эроса: Himeros, образованная депрессия седла на выпуклой стороне тела, и Soul, на вогнутой стороне [11].
Теперь о кратерах. Как уже говорилось, при съемке с высоким разрешением астрономы неожиданно обнаружили дефицит кратеров малых размеров. Это сообщение произвело настоящую сенсацию. Дело в том, что если на поверхности небесного тела не происходит никаких процессов, стирающих следы соударений, то через определенное время процесс кратерирования достигает равновесного насыщения . Это означает, что каждый новый удар рождает приблизительно столько новых кратеров, сколько стирает. В условиях такого равновесия плотность кратеров на поверхности подчиняется характеристической зависимости, хорошо известной на примере луны. А именно, на любом фиксированном участке поверхности число кратеров с поперечником больше определенного размера должно быть обратно пропорционально квадрату этого размера. К примеру, число кратеров с поперечником более 1 км должно быть в четыре раза больше, чем число кратеров с поперечником более 2 км, а число кратеров с поперечником более 500 м должно быть в четыре раза больше, чем число кратеров с поперечником более 1 км, и т.д. Подобное распределение найдено на многих сильно кратерированных телах Солнечной системы, хотя существуют и небольшие отклонения от этого простого закона, которые отражают геологическую историю конкретных объектов.
Снижая орбиту зонда все ниже и ниже, ученые убедились, что кратеров размерами в сотни метров уже явно не достает. Чем более мелкие кратеры они брались подсчитывать, тем меньше было связи между их числом и тем, что ожидалось при равновесном распределении. Каковы гипотезы? Первая мысль, конечно, о крупных кратерах. Мощные соударения, безусловно, порождают много выбросов и вызывают сильные сейсмические колебания. И те, и другие стремятся засыпать или стереть маленькие кратеры вокруг себя. Вполне допустимо, что самые катастрофические соударения, в результате которых образовались к примеру кратер Психея или седловина Химерос (если последняя, конечно, является ударным кратером), могли стереть мелкие кратеры на всем астероиде сразу, глобально обновив его поверхность. Но тут возникает новая сложность. Тот кратер, который зачистил поверхность последним, сам должен иметь поверхность, хорошо подчиняющуюся равновесному распределению без всяких перекосов в сторону кратеров большого размера. Однако дефицит мелких кратеров, при достаточном обилии средних и крупных характерен для всей поверхности Эроса. Кто же тогда мог зачистить поверхность последнего по времени гигантского кратера, будь то Психея или Химерос? Впрочем, другой гипотезы, которая могла бы объяснить такую сложную неравновесную зависимость распределения кратеров, пока нет.
|
|
|
Рис. 12. Данные лазерного дальнометра. NEAR получил этот ступенчатый профиль внутренней стенки 10-километрового кратера. |
4.5. Магнитное поле
Не обошлось и без огорчений. Из тех приборов, которые были установлены на борту межпланетного зонда NEAR - Shoemaker , два не показали результатов своей работы. Первый инфракрасный спектрометр просто не включился. Второму магнитометру оказалось нечего измерять. С точностью до чувствительности инструмента (около одной 50-тысячной магнитного поля Земли) естественное магнитное поле у Эроса отсутствует. С другой стороны, метеориты, по химическому составу сходные с Эросом, чаще всего намагничены.
Чтобы объяснить это противоречие, предполагают, что метеориты намагнитились уже на земле. Чтобы проверить эту гипотезу, Гюнтер Клетешка (Американский католический университет) смоделировал в лаборатории изменения температуры и магнитного поля, подобные тем, что испытывает метеорит, влетающий в атмосферу Земли, и посмотрел, как отреагирует на эти изменения собственное магнитное поле хондр-частичек, из которых состоят эросоподобные метеориты. Оказалось, что внешнее магнитное поле запечатлевается лишь в половине хондр. Остальные сохраняют собственный магнетизм, который, очевидно, был в них с самого момента образования. Почему же Эрос, который предположительно состоит из таких же намагниченных хондр, лишен глобального магнитного поля? Выступая весной 2001 года на конференции Американского геофизического союза, Клетешка предположил, что магнитики, из которых состоит Эрос, ориентированы друг относительно друга произвольным образом, и их магнитные поля взаимно уничтожаются. Эффект произвольной ориентации удается заметить даже в лабораторных условиях чем крупнее образец хондрита, тем меньше он намагничен [3].
4.6. Химический состав
К лету 2000 года стали поступать сообщения об одном из самых важных результатов работы рентгеновского и гамма-спектрометров NEAR. Первый в своей работе очень сильно зависел от вспышек на Солнце. Мощная вспышка заставляла поверхность Эроса флуоресцировать в рентгене, однако глубина, с которой выходило это излучение, не превышала долей миллиметра. Знать состав поверхности реголита это одно, но хотелось бы заглянуть и поглубже.
Рис. 13. Рентгеновское излучение
Этот график показывает 4 вспышки рентгеновского излучения, записанного 2 и 3 марта спутниками, вращающимися вокруг Земли. Самая яркая из них, произошедшая 2 марта, осветила Эрос и позволила NEAR обнаружить рентгеновское свечение магния, железа, кремния и, возможно, алюминия и кальция [10].
Гамма-спектрометр регистрировал вторичное изучение, вызываемое космическими лучами. Он собирал данные уже с глубины до 10см. Это уже что-то. К лету 2000 года NEAR собрал достаточно данных, чтобы можно было с уверенностью сказать: Эрос недифференцированный астероид. Иными словами, его вещество никогда не подвергалось процессу гравитационной дифференциации, т.е. плавлению, приводящему к расслоению элементов и минералов в недрах планетных тел, хорошо известному на примере Земли и других планет земной группы. Железно-никелевые частицы на Эросе до сих пор так же перемешаны с силикатами, как и в обыкновенных метеоритах-хондритах. Распространенность ключевых элементов: железа, магния, кремния и др., а также низкое содержание алюминия все это давало дополнительные аргументы в пользу того, что Эрос состоит из вещества, которое никогда не подвергалось глобальному давлению.
Присутствие главных силикатных минералов, которые входят в состав обыкновенных хондритов (пироксен, оливин и т.д.), было установлено по излучению этих минералов характерных инфракрасных линиях спектрографом ближнего инфракрасного диапазона. Однако 7 июня 2000 года этот прибор пришлось выключить из-за неожиданного всплеска напряжения и последовавших за ним проблем . к счастью, к этому времени он уже построил карту распределения силикатных минералов по 60% поверхности Эроса (главным образом его северного полушария). Кстати, это была единственная серьезная неполадка с приборами зонда за все время его работы на орбите [2].
Итак, Эрос оказался достаточно прочным, консолидированным телом, обладающим даже некоторой внутренней структурой, но состоящим все же из дифференцированного вещества. С одной стороны, это решало давний спор о происхождении самых распространенных метеоритов-хондритов. Дело в том, что самые близкие к нам астероиды астероиды внутренней части главного пояса, а также семейство близко приближающихся к Земле астероидов, к которому принадлежит и Эрос, - это, как правило, астероиды S-типа (силикатные). Эрос тоже относится к этому типу астероидов. Спектрально S-тип близок к обыкновенным хондритам, хотя и не тождественен им полностью. Если учесть, что спектр отражения астероида это спектр именно реголитового слоя, который подвержен значительному воздействию космических лучей и ударной бомбардировки, - ученые ожидали, что под слоем реголита астероидов S-типа все же скрывается вещество обыкновенных хондритов и что осколки именно этих астероидов породили класс небесных камней, чаще всего выпадающих на Землю. Однако и здесь нашлась своя ложка дегтя!
Дальнейшие измерения показали, что на Эросе почти отсутствует сера один из элементов, соединения которой (например, троилит, FeS), обильно присутствуют в хондритах. Если состав Эроса действительно хондритовый , то количество серы в нем должно быть вполне достаточным для обнаружения с орбиты. С другой стороны, сера и ее соединения это те компоненты, которые выходят из породы при ее нагревании одними из первых при температуре уже в несколько сотен градусов. Не означает ли это, что вещество Эроса (или его родительского тела?) все же подвергалось частичному нагреву или даже частичному плавлению? Или же дефицит серы касается только поверхностных слоев, где в результате локального нагревания, вызванного бомбардировкой, температура действительно поднималась до этих отметок? В любом случае ученые сразу же выразили желание снижать орбиту аппарата как можно сильнее, чтобы повысить чувствительность измерений до максимально возможного уровня. При этом решающая роль возлагалась на гамма-спектрометр, измеряющий состав достаточно толстого подповерхностного слоя.
<< 3. Космический эксперимент ... | Оглавление | 5. Небесная механика NEAR >>