Asteroidai, kometos ir nykštukinės planetos

Астероїди, комети та карликові планети

Залишки формування планет, збережені в таких областях, як Пояс астероїдів і Пояс Койпера

1. Рештки формування планетних систем

У прото-планетному диску, що оточує молоду Сонце, скупчилася велика кількість твердих тіл, які стикалися і зрештою планети почали формуватися. Проте не весь матеріал об'єднався в ці великі тіла; залишилися планетезималі та частково сформовані прото-планети, розкидані по системі або стабільно розташовані (наприклад, у Поясі астероїдів між Марсом і Юпітером) чи викинуті далеко у Пояс Койпера або Хмару Орта. Ці малі об'єкти – астероїди, комети та карликові планети – є своєрідними «фосиліями» часів народження Сонячної системи, зберігаючи ранні особливості складу та структури, мало змінені планетарними процесами.

  • Астероїди: Кам'янисті або металеві тіла, найчастіше зустрічаються у внутрішній частині Сонячної системи.
  • Комети: Крижані тіла з зовнішніх областей, що утворюють газову/пилову кому поблизу Сонця.
  • Карликові планети: Достатньо масивні, майже сферичні об'єкти, але не очистили свої орбіти, наприклад Плутон або Церера.

Вивчення цих залишків дозволяє зрозуміти, як була розподілена речовина сонячної системи, як відбувалося формування планет і як залишкові планетезималі сформували кінцеву планетарну архітектуру.

2. Пояс астероїдів

2.1 Розташування та основні характеристики

Пояс астероїдів простягається приблизно від 2 до 3,5 а.о. від Сонця між орбітами Марса і Юпітера. Хоча часто називається «поясом», він насправді охоплює широку область з різноманітними орбітальними нахилами та ексцентриситетами. В цій області астероїди варіюються від Церери (тепер віднесеної до карликових планет, близько 940 км у діаметрі) до уламків розміром у метр або навіть менших.

  • Маса: Весь пояс становить лише близько ~4 % маси Місяця, тому дуже далеко від масивного планетного тіла.
  • Проміжки (Gaps): Проміжки Кірквуда існують там, де орбітальні резонанси з Юпітером очищують орбіти.

2.2 Походження та вплив Юпітера

Спочатку там могло бути достатньо маси для утворення протопланети розміром з Марс у області Поясу астероїдів. Однак сильна гравітація Юпітера (особливо якщо Юпітер сформувався рано і, можливо, трохи мігрував) порушила орбіти астероїдів, підвищила їхні швидкості і не дозволила об'єднатися у більший об'єкт. Ударна фрагментація, резонансне розсіювання та інші явища залишили лише частину первинної маси як довготривалі залишки [1], [2].

2.3 Типи складу

Астероїди характеризуються різноманітністю складу, що залежить від відстані від Сонця:

  • Внутрішній пояс: S-типу (кам'янисті), M-типу (металеві) астероїди.
  • Середній пояс: C-типу (вуглисті), їхня частка зростає далі.
  • Зовнішній пояс: Багатший на леткі сполуки, може нагадувати комети сім'ї Юпітера.

Спектральні дослідження та зв'язки з метеоритами показують, що частина астероїдів є частково диференційованими або залишками малих первинних планетезималей, а інші – примітивні, ніколи не нагрівалися достатньо, щоб відокремити метали від силікатів.

2.4 Столітні сім'ї

Якщо більші астероїди стикаються, вони можуть створювати багато фрагментів з подібними орбітами – столітні сім'ї (наприклад, сім'ї Короніс або Теміди). Їхнє вивчення допомагає реконструювати минулі зіткнення, покращує розуміння того, як планетезималі реагують на великі швидкості, а також динамічний розвиток самого поясу протягом мільярдів років.

3. Комети та пояс Койпера

3.1 Комети – льодові планетезималі

Комети – льодові тіла, що містять водяний лід, CO2, CH4, NH3 та пил. При наближенні до Сонця відбувається сублімація летких речовин, що створює кому і зазвичай два хвости (іонний/газовий та пиловий). Їхні орбіти часто ексцентричні або нахилені, тому іноді вони з'являються у внутрішній системі як тимчасові явища.

3.2 Пояс Койпера та транснептунові об'єкти

За Нептуном, приблизно 30–50 а.о. від Сонця, простягається пояс Койпера – сховище транснептунових об'єктів (TNO). Ця область багата на льодові планетезималі, серед яких і карликові планети, як Plutonas, Haumėja, Makemake. Деякі TNO (наприклад, «Плутіно») перебувають у резонансі 3:2 з Нептуном, інші належать до розсіяного диска, що простягається на сотні а.о.

  • Склад: Багато льоду, вуглецевмісних матеріалів, можливо органічних сполук.
  • Динамічні підгрупи: Класичні KBO, резонансні, розсіяні TNO.
  • Значення: Об'єкти поясу Койпера розкривають, як розвивалися зовнішні частини системи та як міграція Нептуна сформувала орбіти [3], [4].

3.3 Довгоперіодичні комети та Хмара Оорта

Для тих, чиї перигелії дуже далекі, довгоперіодичні комети (орбіти >200 років) походять із Хмари Оорта – величезного сферичного резервуару комет на відстані десятків тисяч астрономічних одиниць від Сонця. Проходження зірок або галактичні припливи можуть штовхнути комету з Хмари Оорта всередину, створюючи орбіти з випадковими нахилами. Ці комети є найбільш незмінними тілами, які можуть містити первісні леткі сполуки часів формування системи.

4. Карликові планети: міст між астероїдами та планетами

4.1 Критерії IAU

У 2006 році Міжнародний астрономічний союз (IAU) визначив «карликову планету» як небесне тіло, яке:

  1. Обертається безпосередньо навколо Сонця (не є супутником).
  2. Достатньо масивний, щоб через власну гравітацію бути майже сферичним.
  3. Не очистив свою орбітальну область від інших тіл.

Cerera в поясі астероїдів, Plutonas, Haumėja, Makemake, Eris у поясі Койпера є яскравими прикладами. Вони демонструють перехідні великі тіла – більші за типові астероїди чи комети, але без достатньої сили, щоб очистити свої орбіти.

4.2 Приклади та їхні особливості

  1. Cerera (~940 км у діаметрі): Водянистий або глинистий карликовий об'єкт зі світлими карбонатними плямами – вони вказують на можливу минулу гідротермальну або криовулканічну активність.
  2. Плутон (~2370 км): Колись вважався дев’ятою планетою, тепер віднесений до карликових. Має складну систему супутників, тонку азотну атмосферу, різноманітні поверхневі області.
  3. Eris (~2326 км): Об’єкт розсіяного диска, масивніший за Плутон, відкритий у 2005 році, що спричинив зміни в класифікації планет МАС.

Ці карликові планети демонструють, що еволюція планетезималей може призвести до майже або частково диференційованих тіл, що переходять межу між великими астероїдами/кометами та малими планетами.

5. Погляд на формування планет

5.1 Залишки ранніх стадій

Астероїди, комети та карликові планети слід розглядати як первинні залишки. Дослідження їхнього складу, орбіт і внутрішньої структури виявляє первинний радіальний розподіл сонячних систем (кам'янисті всередині, льодові зовні). Вони також показують, як формувалися планети та які епізоди розсіювання заважали їм злитись у більші тіла.

5.2 Перенесення води та органіки

Комети (і, можливо, деякі вуглецеві астероїди) є основними кандидатами, які могли переносити воду та органічні речовини на внутрішні тверді планети. Походження води на Землі частково могло залежати від пізнього такого перенесення. Вивчення ізотопного співвідношення водню (наприклад, D/H) та органічних маркерів у кометах і метеоритах допомагає перевірити ці гіпотези.

5.3 Ударна еволюція та кінцева конфігурація системи

Такі масивні планети, як Юпітер чи Нептун, суттєво вплинули на орбіти в поясах астероїдів і Койпера. На ранньому етапі гравітаційні резонанси або розсіювання викинули багато планетезималей із Сонячної системи або притягнули їх всередину, спричиняючи епізоди масштабних бомбардувань. Аналогічно в системах екзопланет скупчення планетезималей (debris belt) можуть формуватися через міграцію або розсіювання гігантських планет.

6. Поточні дослідження та місії

6.1 Відвідування астероїдів та доставлення зразків

NASA Dawn досліджувала Весту та Цереру, виявляючи різні шляхи еволюції – Веста майже «повна» протопланета, а Церера має багато ознак льоду. Тим часом Hayabusa2 (JAXA) доставила зразки з Рюгу, OSIRIS-REx (NASA) – з Bennu, отримуючи прямі дані про хімічний склад вуглецевих або металевих астероїдів [5], [6].

6.2 Місії до комет

ESA Rosetta на орбіті зонда досліджувала комету 67P/Чурюмова–Герасименко, випустила посадковий модуль (Philae). Дані виявили пористу структуру, унікальні органічні молекули та ознаки змінної активності при наближенні до Сонця. Майбутній проєкт (наприклад, Comet Interceptor) може досліджувати нововідкриті довгоперіодичні або навіть міжзоряні комети, розкриваючи ще не зруйновані леткі речовини.

6.3 Пояс Койпера та дослідження карликових планет

New Horizons місія у 2015 році відвідала Плутон, змінивши розуміння геології цього карликового тіла – виявлено азотні льодовикові «льодовики», можливо внутрішні океани, екзотичні форми льоду. Подальший проліт повз Arrokoth (2014 MU69) показав подвійний контактний об'єкт у поясі Койпера. У майбутньому можуть відбутися місії до Хаумеї чи Еріди – щоб глибше зрозуміти структуру та динаміку цих далеких тіл.

7. Відповідники екзопланет

7.1 Диски уламків зірок інших систем

Спостережувані «пояси уламків» зірок головної послідовності (наприклад, β Pictoris, Фомальгаут) демонструють структури кілець, що виникають через зіткнення між залишковими планетезималями – аналогічно нашим астероїдним або поясу Койпера. Ці диски можуть бути «теплими» або «холодними», керованими або перебудованими втрученими планетами. У деяких системах видно сліди екзокомет (короткі спектральні сигнали поглинання), що свідчить про активну популяцію планетезималей.

7.2 Столкнення та «прогалини»

У системах екзопланет з гігантськими планетами розсіювання може створювати «зовнішні пояси». Альтернативно – резонансні кільця, якщо велика планета організовує планетезималі. Спостереження високої роздільної здатності у субміліметровому діапазоні (ALMA) іноді виявляють системи з кількома поясами з проміжками посередині, подібні до моделі кількох резервуарів нашої системи (внутрішній пояс як астероїдний, зовнішній – як пояс Койпера).

7.3 Можливі екзокарликові тіла

Хоча виявити великий транснептуновий екзотіло навколо іншої зірки було б складно, у майбутньому краща візуалізація або метод радіальної швидкості могли б виявити «екзоплутонів», що повторюють роль Плутона чи Еріди – перехідні тіла між льодовиково збагаченими планетезималями та малими екзопланетами.

8. Ширше значення та перспективи майбутнього

8.1 Первинні зберігачі запису сонячної системи

Комети та астероїди майже не мають або мають дуже незначну геологічну активність, тому багато з них залишаються «капсулами часу», що демонструють стародавні ізотопні та мінералогічні ознаки. Карликові планети, якщо вони достатньо великі, можуть бути частково диференційовані, але зберігають ознаки первісного нагрівання або криовулканізму. Вивчення цих тіл допомагає розкрити початкові умови формування та подальші зміни міграції гігантських планет або впливу Сонця.

8.2 Ресурси та застосування

Деякі астероїди та карликові планети привабливі як потенційні джерела (води, металів, рідкісних елементів) для майбутньої космічної промисловості. Знання їхнього складу та орбітальної доступності визначає найближчі плани використання ресурсів. Тим часом комети могли б постачати леткі речовини у далеких дослідницьких місіях.

8.3 Місії до зовнішніх кордонів

Після успіху New Horizons (відвідування Плутона та Аррокота) розглядається орбітальна місія до Поясу Койпера або нові експедиції до супутника Нептуна Тритона чи комет Хмари Орта. Це могло б значно розширити наші знання про динаміку малих тіл, хімічний розподіл і, можливо, поширення величезних карликових планет у найвіддаленіших регіонах Сонячної системи.

9. Висновок

Астероїди, комети та карликові планети — це не просто незначні космічні уламки, а радше будівельні блоки планет і частина незавершених тіл. Пояс астероїдів — це незавершений протопланетний регіон, розірваний гравітацією Юпітера; Пояс Койпера зберігає льодові реліквії з зовнішньої частини туманності, Хмара Орта розширює цей резервуар до світловорічної відстані. Карликові планети (Церера, Плутон, Еріда та ін.) демонструють перехідні випадки: вони достатньо великі, щоб бути майже сферичними, але недостатньо домінують, щоб очистити свої орбіти. Тим часом комети, пролітаючи, виявляють яскраві сигнали летких речовин.

Дослідження цих тіл — через місії, як-от Dawn, Rosetta, New Horizons, OSIRIS-REx та інші — дозволяє вченим отримати ключову інформацію про формування архітектури Сонячної системи, як вода та органіка могли потрапити на Землю, і як диски екзопланет функціонують подібним чином. Об’єднуючи всі докази, виникає загальний висновок: «малі тіла» є наріжним каменем для розуміння збирання планет і подальшої еволюції.

Nuorodos ir tolesnis skaitymas

  1. Morbidelli, A., & Nesvorný, D. (2020). “Походження та динамічна еволюція комет і їхніх резервуарів.” Space Science Reviews, 216, 64.
  2. Bottke, W. F., et al. (2006). “Розпад астероїда 160 млн років тому як ймовірне джерело імпактора K/T.” Nature, 439, 821–824.
  3. Malhotra, R., Duncan, M., & Levison, H. F. (2010). “Пояс Койпера.” Protostars and Planets V, University of Arizona Press, 895–911.
  4. Gladman, B., Marsden, B. G., & Vanlaerhoven, C. (2008). “Номенклатура у зовнішній Сонячній системі.” The Solar System Beyond Neptune, University of Arizona Press, 43–57.
  5. Russell, C. T., et al. (2016). “Dawn прибуває до Церери: дослідження маленького світу, багатого леткими речовинами.” Science, 353, 1008–1010.
  6. Britt, D. T., et al. (2019). “Внутрішня будова астероїдів та їхні загальні властивості.” У Asteroids IV, University of Arizona Press, 459–482.

```

Повернутися до блогу