Популяция астероидов, сближающихся с Землей

Введение. Исследование движения астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), является актуальной задачей по целому ряду причин, основной из которых является проблема астероидной опасности. К данной популяции относят объекты, перигелийное расстояние q которых не превышает 1,3 а. е. [1]. Первый астероид вблизи Земли был открыт 13 августа 1898 г. Густавом Виттом в обсерватории Урания в Берлине. Это был 433 Эрос, астероид размером менее 25 км. В год открытия он прошел на расстоянии 22 млн км от Земли [2].

Однако долгое время численность популяции известных АСЗ была весьма незначительна. Например, к 1983 г. число таких объектов едва достигало 80 [3]. Ситуация существенно изменилась в конце XX века, когда благодаря развитию наблюдательной техники и новым астрономическим научным программам число открываемых АСЗ существенно увеличилось.

Общие сведения о популяции астероидов, сближающихся с Землей. В настоящее время созданы и постоянно обновляются различные каталоги астероидов. Одна из наиболее полных и широко используемых во многих работах электронная версия каталога всех астероидов принадлежит Э. Боуэллу [4]. Каталог содержит высокоточные оскулирующие элементы орбит, данные об интервалах и количестве наблюдений, использованных при улучшении орбит, а также возможные эфемеридные неопределенности. На 22 сентября 2014 г. каталог содержал данные о 655843 астероидах, в том числе 11418 АСЗ. Для сравнения, до начала 90-х годов число известных АСЗ едва достигало 150, в 1995 г. их уже было известно 350, в мае 1998 г. – 502 [5].

Большие полуоси орбит a почти всех известных к настоящему времени АСЗ заключены в интервале от 0,55 (2007 EB26) до 20,31 а. е. (2014 PP69), при этом большие полуоси орбит 99,7 % астероидов расположены в пределах от 0,9 до 3,6 а. е. (рис. 1, а ). 30 АСЗ имеют большие полуоси больше 3,6 а. е., из них 5 – больше 10 а. е. Исключением является орбита астероида 2009 DQ33, большая полуось которой составляет 66,1 а. е. (рис. 2). В проекции на плоскость эклиптики данный объект пересекает орбиты всех больших планет от Земли до Нептуна. Эксцентриситет его орбиты e = 0,985, наклонение к плоскости эклиптики i = 8,7 ° . Однако следует заметить, что рассматриваемый астероид наблюдался на интервале всего 8 суток в феврале 2009 г., что говорит о большой неопределенности его орбиты. Вполне вероятно, что после появления новых наблюдений значения элементов орбиты существенно изменятся. Проблема заключается в том, что в настоящее время астероид стремительно удаляется от Земли, в 2013 г. он пересек орбиту Сатурна. Если судить по известным элементам орбиты, то в следующий раз он появится в окрестности Земли только в середине текущего тысячелетия, т. е. данный объект можно фактически считать потерянным.

б

Рис. 1. Распределение АСЗ по большой полуоси a ( а ) и эксцентриситету e ( б ): N – число астероидов

Распределение АСЗ по эксцентриситету и наклонению приведено на рис. 1, б и 3, а соответственно. Эксцентриситеты АСЗ заключены в интервале от 0,0032 (2011 WK2) до 0,9855 (2009 DQ33). Максимум в распределении эксцентриситетов наблюдается в промежутке от 0,3 до 0,6, такие эксцентриситеты имеют орбиты 59 % АСЗ.

Наклонения большинства АСЗ расположены в пределах от 0,021 (2004 FH) до 75,40° (2012 FZ23) (рис. 3, а). 57 % АСЗ принадлежат к сферической подсистеме (i > 8°). Отдельного внимания заслуживают астероиды 2007 VA85 и 343158 2009 HC82 (рис. 4), которые имеют наклонения 132° и 154°, соответственно, т. е. движутся в обратную сторону по отношению к Земле и другим объектам Солнечной системы.

N

1600-

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Рис. 2. Проекция орбиты астероида 2009 DQ33 на плоскость эклиптики в различных масштабах

б

Рис. 3. Распределение АСЗ по наклонению i ( а ) и абсолютной звездной величине H ( б ): N – число астероидов

Рис. 4. Проекция орбит астероидов 2007 VA85 ( а ) и 343158 2009 HC82 ( б ) на плоскость, перпендикулярную плоскости эклиптики

Абсолютные звездные величины H известных АСЗ заключены в пределах от 9,45 (1036 Ganimed) до 33,24 (2008 TS26). Самым крупным из известных АСЗ является 1036 Ganimed диаметром 31,7 км. Немного ему уступает первый открытый объект этого класса 433 Eros с размерами 34,4×11,2×11,2 км. Согласно данным центра малых планет (http://www.minorplanetcenter. net) в настоящее время известно 863 АСЗ с диаметром больше 1 км.

Определить нижнюю границу размеров известных АСЗ гораздо сложнее, так как характеристики слабых объектов известны плохо. Для получения примерных оценок воспользуемся формулой, приведенной в работе [6]:

D _ 1329.10 - 0,2 H

^, p_V

где p V – альбедо астероида; H – абсолютная звездная величина; D – диаметр, км. Предполагая среднее альбедо 0,14 для популяции АСЗ [7] (Mainzer [et al.]. 2011), получим, что диаметр самых слабых известных объектов составляет порядка 1 м. Однако следует понимать, что данная граница обусловлена возможностями современной наблюдательной техники, более того такие объекты открываются только во время сближения с Землей. С другой стороны, возникает терминологический вопрос, относить ли настолько мелкие объекты к классу астероидов или метеороидов [8]. Видимо в связи с отсутствием четкого определения астероида и сложностями с вычислением размера вновь открытых объектов, их традиционно вносят в астероидные каталоги.

Логично предположить, что чем меньше размер объекта, тем больше таких тел должно быть в Солнечной системе. Рис. 3, б позволяет сделать вывод, что в настоящее время открыты почти все АСЗ ярче 20 абсолютной звездной величины, т. е. больше 330 м. Данный вывод подтверждается результатами, приведенными в работе [9]. На рис. 5 показано положение всех известных АСЗ на 31 августа 2014 г. в проекции на плоскость эклиптики. Из рис. 5 видно плотное заполнение пространства в окрестности Земли астероидами.

Классификация астероидов, сближающихся с Землей. По размерам и степени опасности АСЗ можно разделить на три класса:

– крупные объекты, диаметр которых превышает 1 км; встреча Земли с таким объектом может вызвать глобальную катастрофу;

– астероиды средних размеров; к этому классу относятся объекты с диаметром от 100 м до 1 км; эти объекты способны вызвать катастрофы регионального масштаба;

– мелкие астероиды размером 10–100 м, столкновение с которыми приводит к локальным разрушениям.

Данная классификация позволяет сделать неутешительный вывод, что в настоящее время нам известны даже далеко не все астероиды, способные вызвать региональную катастрофу, не говоря уж о локальной. Челябинское событие 2013 г. [10] наглядно продемонстрировало этот факт. Согласно оценкам, приведенным в работе [9], популяция АСЗ размером порядка 100 м насчитывает около 20 тыс. объектов, а 20 м (т. е. соизмеримых с прародителем челябинского метеорита) – несколько миллионов. Следует отметить, что в истории человечества было всего два случая заранее предсказанного столкновения небесного тела с Землей: 2008 TC3, который столкнулся с Землей в октябре 2008 г. [11; 12], и первый открытый в 2014 г. астероид 2014 AA.

Рис. 5. Положение всех АСЗ в проекции на плоскость эклиптики на 31.08.2014

Из АСЗ выделяется группа потенциально опасных для Земли астероидов. В эту группу включают АСЗ, абсолютная звездная величина которых не больше 22m и минимальное расстояние между орбитами объекта и Земли не больше 0,05 а. е. Первым потенциально опасным астероидом стал 4179 Тутатис, который был открыт 4 января 1989 года французским астрономом Кристианом Полля. На 9 сентября 2014 г. по сведениям NASA известно 1500 потенциально опасных астероидов , порядка 140 из них имеют диаметр больше 1 км, т. е. при столкновении способны вызвать глобальную катастрофу.

Самым крупным из известных потенциально опасных астероидов является 3122 Florence, размером около 4,9 км. Следующее сближение с Землей данного объекта ожидается 1 сентября 2017 г., когда он пройдет на расстоянии 0,04723 а. е. (7 млн км) от центра Земли. Что касается нижней границы, то, как видно из приведенной выше формулы (1), звездная величина 22m примерно соответствует диаметру 130 м, что приводит к недооцениванию опасности, исходящей от меньших объектов [12].

По типу орбит популяция АСЗ традиционно делится на четыре класса, которые названы по имени своих наиболее ярких представителей:

• –    группа Амура, для которой 1,0167 а. е. <  q ≤ 1,3 а. е. Астероиды этой группы всегда находятся за пределами орбиты Земли;

  

  а

  
  

• –    группа Аполлона, для которой а > 1 а. е., q ≤ 1,0167 а. е. Орбиты этих астероидов в проекции на плоскость эклиптики пересекают орбиту Земли;

• –    группа Атона, для которой а < 1 a. e., Q ≥ 0,983 а. е. Такие астероиды выходят за орбиту Земли только в окрестности афелия своей орбиты;

• –    группа Атиры, для которой Q <  0,983 a. e. Эти астероиды постоянно находятся внутри орбиты Земли.

На рис. 6 показаны проекции орбит типичных представителей данных классов на плоскость эклиптики. В табл. 1 приведены некоторые статистические данные о популяции АСЗ на сентябрь 2014 г. (верхняя строка) и на октябрь 2004 г. (нижняя строка), выбранные из каталога Боуэлла. Из табл. 1 видно, что число известных АСЗ за 10 лет увеличилось более чем в 3 раза, т. е. в среднем за это время каждый день обнаруживалось по два новых объекта. Однако с сожалением следует отметить, что процент нумерованных АСЗ (с хорошо определенной орбитой) увеличился незначительно и не превышает 15 %.

б

Кроме того, табл. 1. показывает, что наибольшее число астероидов принадлежит классу Аполлона, наименьшее – Атиры. Скорее всего, этот факт связан не столько с реальным размером соответствующих популяций, сколько с наблюдательными возможностями. Наблюдения объектов типа Атиры возможны только в окрестности элонгаций, т. е. на небольшом интервале времени. Первый объект этого класса 163693 Atira был открыт только в 2003 г.

в

Астероиды, проходящие через сферу тяготения Земли. Рассмотрим, какие астероиды в ближайшем будущем подойдут близко к Земле. Для данного исследования использовался программный комплекс «ИДА» [13], которой позволяет осуществлять высокоточное прогнозирование движения астероидов с использованием параллельных вычислений. Движение астероидов в данной работе рассматривается в рамках возмущенной задачи двух тел в гелиоцентрической системе координат, отнесенной к эклиптике и равноденствию 2000.0. В модель сил включены возмущения от больших планет, Луны, Плутона и трех крупных астероидов (Церера, Паллада, Веста). Начальные элементы орбит взяты из каталога Э. Боуэлла на эпоху 31 августа 2014 г. Уравнения движения интегрируются численно методом Эверхарта [14].

Таблица 1

Данные о популяции АСЗ

	Класс				Всего
	Амур	Аполлон	Атон	Атира
Общее число	4408	6132	864	14	11418
	1365	1604	251	–	3220
Нумерованные	657	878	141	2	1678
	191	189	24	–	404

г

Рис. 6. Проекции орбит астероидов 1221 Amor ( а ), 1862 Apollo ( б ), 2062 Aten ( в ), 163693 Atira ( г ) и внутренних планет на плоскость эклиптики

В описываемом численном эксперименте интервал времени определялся фондом координат больших планет DE405 и составил 2014–2200 гг. В результате исследования выявлено 39 астероидов, проходящих через сферу тяготения Земли в ближайшие 185 лет (значение радиуса сферы тяготения Земли составляет примерно 254316 км). В табл. 2 представлены даты прохождения объектов через сферу тяготения, минимальные расстояния до центра Земли d min , абсолютная звездная величина H и оценка диаметра D , полученная по формуле (1).

Таблица 2

Перечень АСЗ, проходящих через сферу тяготения Земли в ближайшие 190 лет

Объект	Дата	d min, км	H	D , м
2014 RA	31.08.2014	56746	29	6
2014 RC	07.09.2014	39893	27	15
2014 SG1	20.09.2014	79579	29	5
2012 TC4	12.10.2017	78306	27	17
2008 GY21	10.04.2018	248204	28	10
2006 QV89	09.09.2019	70653	25	30
2009 BF58	21.01.2022	102236	27	12
2013 GM3	14.04.2026	98118	26	19
153814 2001 WN5	26.06.2028	249053	18	495
99942 Apophis	13.04.2029	37557	19	330
2008 VB4	03.11.2033	174451	28	8
2014 HB177	06.05.2034	206584	28	8
2012 UE34	08.04.2041	107043	23	82
2012 HG2	13.02.2047	89615	27	13
2007 UD6	18.1002048	95036	28	7
2008 EZ7	09.03.2049	181485	27	13
2006 RH120	31.01.2060	147015	30	4
2008 US	21.10.2064	201910	32	2
2008 EL68	16.02.2065	140612	28	10
2010 VB1	07.01.2068	140049	23	74
2008 DB	10.02.2071	193538	26	25
2011 CH22	04.02.2074	100981	29	6
2012 HG2	21.07.2083	232477	27	14
2011 MD	15.06.2086	227647	28	9
2014 RS17	31.01.2090	133236	23	77
2007 YV56	02.01.2101	235924	21	213
2007 TX22	13.10.2101	107731	28	7
2009 FH	19.03.2104	105237	27	16
2013 GM3	17.04.2109	157872	26	19
2007 UW1	19.10.2129	127744	23	97
2012 KT42	31.05.2131	215182	29	6
2002 TY59	03.10.2138	188361	25	28
2011 JA	26.04.2145	233367	21	185
2007 UY1	13.02.2156	156900	23	89
2009 TH8	20.10.2164	119582	25	36

Окончание табл. 2

Объект	Дата	d min, км	H	D , м
2014 QN266	14.07.2168	255672	26	18
2008 HJ	04.05.2178	99294	26	24
2013 YJ48	25.12.2181	227781	26	20
2011 TQ8	03.10.2184	168650	25	42
2010 FN	25.03.2190	145460	27	16
2014 GQ17	11.06.2197	74671	27	13

Как видно из табл. 2, два объекта из 39 дважды проходят через сферу тяготения: 2012 HG2 в 2047 и 2083 гг. и 2013 GM3 в 2026 и 2109 гг. 2014 RA, 2014 RC и 2014 SG1 уже прошли через эту сферу, причем они были открыты во время тесного сближения. Следующее сближение нас ожидает в октябре 2017 г., когда 17-ти метровый астероид 2012 TC4 пройдет на расстоянии 78 тыс. км от геоцентра. Первенство по минимальному расстоянию до Земли по-прежнему удерживает легендарный Апофис [15–17], который в 2029 г. пройдет на расстоянии порядка 38 тыс. км.

Однако следует отметить, что всего два объекта являются нумерованными: 99942 Apophis и 153814 2001 WN5. Учитывая, что данные результаты получены только по номинальным орбитам, для уточнения полученной информации требуется исследование вероятностной орбитальной эволюции. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что только астероиды 153814 2001 WN5, 99942 Apophis, 2007 YV56 и 2011 JA являются потенциально опасными. Максимальным является 495-ти метровый 153814 2001 WN5, который в июне 2028 г. пройдет на расстоянии 249 тыс. км от геоцентра. Однако в свете недавних событий [9] не следует пренебрегать и объектами меньшего размера.

Заключение. Таким образом, в настоящее время известно более 11 тысяч астероидов, сближающихся с Землей, 863 из них имеют диаметр больше 1 км. Орбиты АСЗ отличаются большим разнообразием больших полуосей, эксцентриситетов и наклонений: от почти круговых до сильно эллиптичных, от лежащих практически в плоскости эклиптики до почти перпендикулярных ей. По типу орбит эти объекты подразделяются на классы Амура, Аполлона, Атона и Атиры.

По размерам и степени опасности для Земли астероиды делятся на способные вызвать глобальную катастрофу (больше 1 км), региональную (от 100 до 1000 м) и локальную (до 100 м). К сожалению, в настоящее время относительно хорошо известны только астероиды первой группы. Отдельно выделяют подкласс потенциально опасных для Земли астероидов, таковых в настоящее время насчитывается 1500.

На основании исследования номинальных орбит нами было выявлено 39 астероидов, которые в ближайшие 185 лет пройдут через сферу тяготения Земли. Четыре из них являются потенциально опасными и в случае столкновения могут вызвать катастрофу регионального масштаба.