Динамическая и физическая эволюция комет: доля астероидов, сближающихся с Землей, кометного происхождения

УДК 523.6

ДИНАМИЧЕСКАЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ КОМЕТ:

ДОЛЯ АСТЕРОИДОВ, СБЛИЖАЮЩИХСЯ С ЗЕМЛЕЙ,

КОМЕТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Д.Ф. Лупишко, В.В. Емельяненко, Е.Е. Бирюков

Работа посвящена фундаментальной проблеме современной астрономии: выявлению физически свойств, характерных для комет и кометных астероидов. Получено, что доля кометных астероидов составляет (10±5) % от общего количества астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ).

Введение

Еще не так давно кометы и астероиды рассматривались как совершенно разные популяции малых тел в Солнечной системе. Однако в последнее десятилетие появляется все больше наблюдательных данных и результатов численного моделирования, которые свидетельствуют о тесных взаимосвязях между кометами и астероидами. Это - обнаружение астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), находящихся на кометоподобных орбитах (Q > 4,5 а.е.); сходство некоторых физических и оптических свойств (альбедо, цвет, поляризационные характеристики, форма, скорость вращения и др.) кометных ядер с низкоальбедными астероидами; обнаружение кометоподобной активности ряда астероидов [1]. Более глубокое понимание этих связей, а также процессов динамической и физической эволюции комет в «кометные астероиды», представляет интерес не только с точки зрения космогонических проблем малых тел Солнечной системы, т.е., фундаментальной науки, но и с точки зрения прикладной - проблема астероидно-кометной опасности, наличие водяного льда на астероидах и т.п.

Идея о возможном существовании среди АСЗ ядер потухших комет (т.е., исчерпавших свою активность) была высказана Эпиком еще в 1963 г. [2]. В настоящее время таких переходных между кометами и астероидами объектов (comet-asteroid transition objects), которые периодически проявляют признаки кометной активности, известно несколько (см., напр., [3]). Это - 7968 Elst-Pizarro = 133Р/Е-Р в главном поясе, 4015 Wilson-Harrington = 107P/W-H среди АСЗ, С/2001 OG108 среди Дамоклоидов и другие. Динамическая эволюция (т.е., эволюция орбиты) таких объектов изучена больше, чем физическая (см., напр., [4]).

Основным механизмом пополнения популяции АСЗ является так называемый, резонансный механизм, когда астероид главного пояса или его фрагмент размером D < 20 км, образовавшийся в результате катастрофического разрушения родительского тела, под действием эффекта Ярков-ского попадает в зону резонанса среднего движения с Юпитером 3:1 (или векового резонанса v6), где испытывает хаотическое возрастание эксцентриситета, в результате его орбита эволюционируют так, что с течением времени начинает пересекать орбиты планет земной группы. Как показывают оценки, главный пояс астероидов является основным источником пополнения и поддержания АСЗ-популяции в стабильном состоянии.

Возникает естественный вопрос, а какова же доля АСЗ кометного происхождения? Оценки, полученные в прошлом веке (до 2000 г.), содержали практически весь спектр возможных значений. Так, Эпик [2] считал, что большинство из этих объектов как раз являются ядрами потухших комет. Б.Ю. Левин и А.Н. Симоненко (Москва) в 1981 г. возражали против кометной природы большинства АСЗ, поскольку последние являются родительскими телами метеоритов, которые не могли сформироваться в ядрах комет. Г. Везерилл в США оценил долю АСЗ кометного происхождения в 40 % (1988 г.), а Р. Бинзел и др. в 1992 г. заключили ее в пределы от нуля до 40 %. В то же время, Э. Тедеско и Дж. Градье в 1987 г. считали, что если кометные ядра и встречаются среди АСЗ, то крайне редко (ссылки на эти оценки содержатся в статье [5]).

Накопление большего количества данных о физических и орбитальных свойствах АСЗ и комет, безусловно, способствовало более точным оценкам доли кометных ядер среди астероидов, сближающихся с Землей, появившихся в 2001 г. и позже.

Физические характеристики комет и астероидов

Как известно, кандидаты на кометное происхождение должны, как правило, удовлетворять следующим требованиям: а) это должны быть низкоальбедные астероиды О-, Р- и С-типов, содержащие наиболее примитивное вещество, которое широко представлено во внешней части пояса астероидов и на его периферии (группы Кибелы, Гильды, Троянцев); б) они должны иметь более медленное осевое вращение по сравнению со средним значением, характерным для АСЗ, и в среднем, более вытянутую форму; с) они также должны находиться на кометных орбитах и быть связанными с метеорными потоками. Лупишко и Лупишко [5] провели сравнительный анализ физических свойств и типов минералогии АСЗ, астероидов главного пояса и, частично, ядер комет, а также данных о возможной связи АСЗ с метеорными потоками и пришли к заключению, что основным источником пополнения астероидов групп Амура, Аполлона и Атона является главный пояс астероидов, а доля АСЗ кометного происхождения не превышает 10 %.

Определению и анализу геомеетрических альбедо и размеров АСЗ на кометоподобных орбитах посвящена статья [6]. Построенная авторами зависимость альбедо АСЗ и комет от величины их постояной Тиссерана показывает резкий разрыв в точке Т - 3. В левой части зависимости (Г < 3) оказались кометы и 9 из 10-ти низкоальбедных астероидов. В правой части (Т > 3) сосредоточены средне- и высокоальбедные АСЗ (35 объектов). Среднее альбедо для этих двух групп объектов составляет:

0,038 ± 0,043 для Т< 3, и

0,215 ±0,147 для Г> 3.

На основании этих данных авторы делают вывод о том, что доля АСЗ кометного происхождения является значительной и составляет, по крайней мере, 9 %.

В этом же 2001 г. была получена еще одна оценка [7]. Анализируя относительное количество низкоальбедных объектов, обнаруженных к тому времени среди АСЗ и учитывая влияние наблюдательной селекции, автор оценивает долю кометных ядер в популяции АСЗ величиной порядка 5%.

Предполагая пять основных областей, которые могут быть источниками АСЗ, в работе [8] была построена динамическая модель, которая с учетом эффектов селекции хорошо описывает распределение орбит и абсолютных звездных величин (до Н = 22т) популяции АСЗ. При этом долгопериодические кометы и кометы галеевского типа, как источники АСЗ, не рассматривались. Результаты моделирования показали, что группы Амура, Аполлона и Атона содержат 32±1 %, 62±1 % и 6±1 % объектов АСЗ популяции, соответственно. При этом, ~61 % АСЗ приходят из внутренней части главного пояса (а < 2,5 а.е.), -24% - из центральной (2,5 < а < 2,8 а.е.), ~8 % -из внешней (а > 2,8 а.е.) и 6 % - из комет семейства Юпитера [4, 8].

Еще одна оценка получена в работе [9]. Авторы проанализировали спектральные свойств АСЗ разных типов и оценили распределение типов с учетом эффектов наблюдательной селекции. При этом они использовали только два критерия, характеризующих кометную природу АСЗ, это - постоянная Тиссерана (Т < 3) и соответствие спектра С, О или Р-типу астероидов. Они пришли к выводу, что доля ядер потухших комет среди АСЗ составляет 10-18 %.

Астероиды и кометы на орбитах галлеевского типа

Другой аспект проблемы кометных астероидов заключается в определении источника их происхождения. Поскольку кометные астероиды - кометы, исчерпавшие кометную активность, источник у кометных астероидов и комет должен быть один.

Особый интерес представляют астероиды и кометы на орбитах галлеевского типа. Эти тела движутся на орбитах с параметром Тиссерана Т < 2 и периодом обращения вокруг Солнца 20 < Р < 200 лет. Поскольку эти объекты движутся по сильно наклоненным и обратным орбитам, их источником может быть только почти изотропное сферическое облако Оорта [10-12]. В работе [13] на основании фотометрических наблюдений отмечалось, что дамоклоиды не могут происходить из пояса Эджеворта-Койпера, следовательно их источник - облако Оорта. Сравнительный анализ физических свойств галлеевских астероидов и комет может дать информацию о физических изменениях кометных ядер при их угасании. Применительно к кометам семейства Юпитера (КСЮ) подобный анализ провести трудно, поскольку источником КСЮ может быть как пояс Эджевор-та-Койпера [14, 15], так и облако Оорта [12, 16, 17]. Однако проведение такого анализа осложня-

Физика

ется малым число обнаруженных дамоклоидов (около 35 с переигелийным расстоянием q < 5 а.е.) и их большим периодом обращения вокруг Солнца. Мы рассмотрели угасание и разрушение ядер комет галлеевского типа, захваченных из облака Оорта. Нами было получено, что на орбитах га-леевсксого типа должно существовать ~10 дамоклоидов, пересекающих орбиту Земли. Следовательно малое число обнаруженных дамоклоидов объясняется не эффектами наблюдательной селекции, а результатом физических процессов в ядрах комет, в результате чего на орбитах с q < 1 а.е. количество активных КГТ и дамоклоидов сопоставимо.

Заключение

Таким образом, можно подытожить, что последние оценки доли астероидов кометного происхождения, которые могут сближаться и пересекать орбиту Земли, в среднем согласуются с величиной 10+5 %. Представляется, что эта величина может существенно зависеть от диапазона размеров АСЗ. А это очень важно с точки зрения проблемы астероидно-кометной опасности: либо объект, который находится на трассе сближения с Землей и угрожает возможным столкновением, является фрагментом астероида главного пояса с объемной плотностью 2-6 г/см3, либо же это ядро потухшей кометы со средней плотностью —0,5 г/см3, которое претерпит сильную фрагментацию и испарение при входе в плотные слои земной атмосферы. Если принять во внимание, что источником АСЗ кометного происхождения могут быть разные динамические группы комет, то надо учитывать и такой фактор как связь физических характеристик комет (состав) с местами их образования и/или эволюцией [18, 19]. Для распознания таких объектов и для более надежной оценки их относительного количества необходимо знать и уметь определять характерные для них физические характеристики. Такие исследования представляются в настоящее время исключительно актуальными.

Следует особо выделять исследование комет галлеевского типа и дамоклоидов, поскольку только для этих объектов облако Оорта является основным источником пополнения. Из анализа физических характеристик КГТ и дамоклоидов модно выделить особенности, характерные для объектов из облака Оорта. Благодаря чему можем определить, какова доля комет семейства Юпитера из облака Оорта и пояса Эджеворта-Койпера. Что в свою очередь даст нам ключ к пониманию всей структуры внешней части Солнечной системы: пояс Эджеворта-Койпера, диск рассеянных объектов, внутреннее и внешнее составляющие облака Оорта.

Емельяненко В.В. и Бирюков Е.Е. благодарят РФФИ (грант № 06-02-16512) за поддержку.

Литература

1. Hsieh, Н.Н. 2006. Active asteroids: mistery in the Main Belt / H.H. Hsieh, D. Jewitt // Procced. of IAU Symp. 229: Asteroids, Comets, Meteors. Aug. 7 - 12, 2005. Buzios, Rio de Janeiro, Brazil. Cambridge Univ. Press. - P. 425-437.

2. Opik, E.J. The stray bodies in the solar system. Part I. Survival of cometary nuclei and the asteroids / E.J. Opik // Adv. Astron. Astrophys. - 1963. -V. 2. - P. 219-262.

3. Toth, I. Connection between asteroids and cometary nuclei /1. Toth // Procced. of IAU Symp. 229: Asteroids, Comets, Meteors. Aug. 7 - 12. 2005. Buzios, Rio de Janeiro, Brazil. Cambridge Univ. Press. - P. 67-96.

4. The effect of Yarkovsky thermal forces on the dynamical evolution of asteroids and meteoroids / W.F. Bottke, D. Vokrouhlichy, D.P. Rubincam, M. Broz // In: ASTEROIDS III. Eds. R.P. Binzel et al. Univ. of Arizona Press, Tucson (USA). - 2002. - P. 395-408.

5. Лупишко, Д.Ф. Об источниках происхождения астероидов, сближающихся с Землёй / Д.Ф. Лупишко, Т.А. Лупишко // Астрон. Вестник. - 2001. - Т. 35, № 3. - С. 250-256.

6. Fernandez, Ya.R. Low albedos among extinct comet candidates / Ya.R. Fernandez, D.C. Jewitt, S.S. Sheppard // Astrophys. J. - 2001. - V. 553. - P. L197-L200.

7. Whiteley, R.J. A compositional and dynamical survay of the near-Earth asteroids / R.J. Whiteley // PhD. thesis. University of Hawaii. -2001. - 189 p.

8. Bottke, W.F.Jr. Debiased orbital and absolute magnitude distribution of the near-Earth objects / W.F.Jr. Bottke, A. Morbidelli, R. Jedicke, et al.ll Icarus. 2002. - V. 156, № 2. - P. 399—433.

9. Binzel, R.P. Observed spectral properties of near-Earth asteroids: resulta from population distribution, source regions, and space weathering processes / R.P. Binzel, A.S. Rivkin, J.S. Scott et al.ll Icarus. - 2004. - V. 170, №. 2. - P. 259-294.

10. Emel’yanenko, V.V. Capture of Hailey-type comets from the near-parabolic flux / V.V. Emel’yanenko, M.E. Bailey // Mon. Not. R. Astron. Soc. - 1998. - V. 298. - P. 212-222.

11. Emel'yanenko, V.V. From the Solar system comet cloud to near-Earth space / V.V. Emel'yanenko // Evolution and Source Regions of Asteroids and Comets // Proc. IAU Coll. 173. Eds.:J. Svoren, E.M. Pettich, and H. Rickman, Astron. Inst. Slovak Acad. Sci., Tatranska Lomnica. -1999.-P. 339-344.

12. Бирюков, Е.Е. Захват комет из облака Оорта на орбиты галлеевского типа и орбиты семейства Юпитера / Е.Е. Бирюков // Астрон. Вестник. - 2007. - Т. 41, № 3. - С. 232-240.

13. Jewitt D. A first look at the damocloids /D. Jewitt// Astron. J. - 2005. - V. 129. - P. 530-538.

14. Morbidelli, A. An overview on the Kuiper belt and on the origin of Jupiter-family comets / A. Morbidelli // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. - 1999. - V. 72. - P. 129-156.

15. Fernandez, J.A. Are there many inactive Jupiter-Family Comets among the Near-Earth asteroid population? / J.A. Fernandez, T. Gallardo, A.N. Brunini // Icarus. - 2002. - V. 159. - P. 358-368.

16. Emel'yanenko, V.V. Structure and Dynamics of the Centaur Population: Constraints on the Origin of Short-Period Comets / V.V. Emel'yanenko // Earth, Moon, and Planets. - 2006. - V. 97. - P. 341-351.

17. Fernandez J.A. The transfer of comets from parabolic orbits to short-period orbits: Numerical studies / J.A. Fernandez, T. Galardo // Astron. And Astrophys. - 1994. - 281. - P. 911-922.

18. A’Hearn, M.F. The ensemble properties of comets: Results from narrowband photometry of 85 comets, 1976-1992 / M.F. A’Heam, R.L. Millis, D.J. Schleiher, et al.ll Icarus. 1995.-V. 118.-P. 223-270.

19. Schleicher, D.G. Comet taxonomy and evolution / D.G. Schleicher // Asteroids, Comets, Meteors 1993 // Eds: A. Milani, M. Di Martino, A. Cellino. - Dordrecht (Germany): Kluwer Acad. Publ. -1994.-P. 415-428.

Поступила в редакцию / 7 сентября 2007 г.