Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

1.4. Немного истории

Процессы столкновения малых тел с другими телами Солнечной системы, точнее их последствия (например, ударные кратеры на Луне и на Земле) изучались уже на протяжении столетий. Однако целенаправленное изучение небесных объектов, способных сближаться с Землей или даже сталкиваться с ней – сравнительно молодая отрасль астрономии. Это обусловлено тем, что, как уже отмечалось, осознание проблемы АКО как одной из глобальных проблем, угрожающих цивилизации, произошло всего лишь около 20 лет тому назад.

О существовании комет, способных проникать внутрь земной орбиты, было известно давно. Но правильному представлению о возможных последствиях столкновений Земли с кометами мешали господствовавшие представления о кометах как о роях пыли и газа. Как правило, считалось, что при сближении (столкновении с кометой) могут произойти массовые отравления жителей Земли. Только в 50-х гг. XX в. была предложена ледяная модель кометного ядра, состоящего из замерзших газов и вмороженных в лед частиц твердого вещества. Другими телами, которые в принципе могли угрожать Земле, считались астероиды.

Еще 80 лет назад полагали, что все орбиты астероидов находятся в пределах так называемого Главного пояса астероидов, т. е. между орбитами Марса и Юпитера. Однако в 1932 г. был открыт первый астероид, орбита которого имела перигелийное расстояние меньше среднего радиуса орбиты Земли, т. е. в принципе его орбита допускала возможность сближения астероида с Землей. Этот астероид вскоре был «утерян» и вновь открыт в 1973 г. Он получил номер 1862 и имя Аполлон. В 1936 г. на расстоянии 2 млн км от Земли пролетел астероид Адонис, а в 1937 г. астероид Гермес пролетел на расстоянии 750 тыс. км от Земли. Гермес – двойной астероид с диаметром компонентов почти 1,5 км, был открыт всего за 3 месяца до его максимального сближения с Землей. После пролета Гермеса астрономы начали осознавать научную проблему астероидной опасности.

К 70-м гг. XX в. на разных обсерваториях был открыт первый десяток тел, орбиты которых либо лежат внутри орбиты Земли, либо подходят близко к ней. В 1973 г. в Паломарской обсерватории (США) был начат целенаправленный поиск тел, сближающихся с Землей. Наблюдения в основном проводились с 46-см фотографической камерой Шмидта. В течение года выполнялось до 2000 фотографий отдельных участков неба, на которых обнаруживалось в среднем свыше десяти астероидов с быстрым движением, свидетельствующем об их принадлежности к астероидам, сближающимся с Землей (АСЗ).

С 80-х гг. XX в. в астрономии стала использоваться другая, более прогрессивная техника наблюдений, сменившая фотографию. Это микроэлектронные приемники излучения (ПЗС-матрицы, т. е. приборы с зарядовой связью). Первые опыты по использованию ПЗС-приемников для слежения за малыми планетами и поиска неизвестных объектов были начаты Т. Герелсом в 1983 г. в обсерватории Стьюарда Аризонского университета (Китт Пик, США). В течение последующего десятилетия группа Герелса с помощью 91-см телескопа Spacewatch обнаружила около половины всех открытых за этот период АСЗ. К настоящему времени астрономические наблюдения с помощью ПЗС-камер уже полностью вытеснили фотографию при наблюдении малых тел.

В самом начале 80-х гг. XX в. была опубликована гипотеза Л. Альвареса и его соавторов [Alvarez et al., 1980] о глобальной катастрофе, охватившей Землю 65 млн лет назад в результате ее столкновения с десятикилометровым астероидом. Согласно гипотезе, катастрофа послужила причиной массового вымирания живых существ на рубеже мезозойской и кайнозойской эр в истории Земли. В последующие годы гипотеза нашла дополнительные подтверждения, в частности в результате обнаружения Альваресом слоя осадочных пород, обогащенных иридием, в самых различных регионах Земли. Иридий – чрезвычайно редко встречающийся на Земле химический элемент, а в метеоритах отмечается его 30-кратный избыток.

Еще одним событием, привлекшим к себе большое внимание, явилось прохождение трехсотметрового астероида вблизи Земли 23 марта 1989 г. Тревожным являлось то обстоятельство, что астероид был обнаружен только тогда, когда уже стал удаляться от Земли. Опираясь на этот факт, Американский институт аэронавтики и космонавтики опубликовал в 1990 г. меморандум, призывающий к изучению астероидной опасности и способов предотвращения столкновений. В ответ на этот меморандум Палата представителей Конгресса США поручила НАСА изучить проблемы обнаружения опасных космических объектов, их перехвата и активной защиты от них.

В июне 1991 г. в США было проведено Международное совещание «The Near-Earth-Object Detection Workshop» («Рабочее совещание по проблеме обнаружения объектов, сближающихся с Землей») по первой из указанных проблем. На совещании были выработаны рекомендации по интенсификации поиска и слежения за АСЗ. Совещание организовало Международную рабочую группу НАСА по данной проблеме из представителей американских и других зарубежных специалистов во главе с Д. Моррисоном. Рабочей группой под руководством Д. Моррисона был подготовлен доклад [Morrison, 1992], который был представлен Конгрессу США. В докладе прежде всего констатировалось, что первым шагом на пути предупреждения или уменьшения последствий космической катастрофы должен быть интенсивный поиск объектов, сближающихся с Землей (ОСЗ), и детальный анализ их орбит.

В 1994 г. НАСА получило новую директиву Конгресса США по осуществлению возможно более полной каталогизации опасных астероидов и комет размерами свыше 1 км. Новая директива нацеливала НАCA на выполнение этой задачи совместно с Министерством обороны США и космическими агентствами других стран в наиболее сжатые сроки. Для разработки нового плана была образована Рабочая группа под руководством Ю. Шумейкера. Доклад Рабочей группы Шумейкера в конце июня 1995 г. был представлен Конгрессу [Shoemaker et al., 1995].

В докладе Рабочей группы Шумейкера была сделана ставка на использование уже имеющихся или строящихся телескопов меньших размеров и в меньшем числе, но оснащаемых ПЗС-матрицами новейших разработок с большой (до 75 %) квантовой эффективностью и малым временем считывания информации. В докладе была предложена новая стратегия проведения обзора, которая, в сочетании с возросшими инструментальными возможностями, позволяла добиться значительной полноты обзора уже в течение первого десятилетия его полномасштабного осуществления.

Описанный выше в общих чертах проект наблюдения получил название «Обзор – Космическая стража» или просто «Космическая стража» (Spaceguard Survey). Проект стартовал под эгидой НАСА в 1998 г. На его реализацию было выделено более 50 млн долларов. Надо отметить, что проект выполняется успешно и на момент написания книги близок к завершению.

Мы специально остановились на принципах организации этого знакового проекта, поскольку аналогичные идеи лежат в основе и всех других подобных систем, развиваемых и планируемых в наши дни, конечно, с учетом изменения (улучшения) параметров инструментов, поскольку ставятся задачи обнаружения тел размерами гораздо меньше 1 км (см. также главу 6.)

В августе 1991 г. XXI Генеральная ассамблея Международного астрономического союза (МАС), проходившая в Буэнос-Айресе, приняла специальную резолюцию в поддержку исследования астероидной опасности и организовала Рабочую группу по объектам, сближающимся с Землей, из представителей ряда комиссий МАС. В резолюции Генеральной ассамблеи МАС содержится призыв к астрономам принять участие в изучении потенциальной угрозы от сближающихся с Землей астероидов и комет, а странам-членам МАС – кооперировать имеющиеся инструменты и материальные ресурсы для открытия новых и слежения за известными АСЗ.

В последние годы осознание этой угрозы привлекало к ней все большее внимание научных, общественных и правительственных кругов многих государств мира. Наряду с проведением специальных научных конференций, проблемы АКО рассматривались ООН (1995 г.), Палатой лордов Великобритании (2001 г.), Конгрессом США (2002 г.) и Организацией экономического сотрудничества и развития (2003 г.). Принят ряд резолюций, в том числе Резолюция Парламентской ассамблеи Совета Европы 1996 г.? 1080 «Об обнаружении астероидов и комет, потенциально опасных для человечества». Современное состояние международной кооперации по проблеме АКО описано в главе 11.

1.5. Современное состояние исследований по проблеме АКО

Заранее тут ничего нельзя сказать.

И это, конечно, как раз самое интересное.

Что же нам известно о современном уровне угрозы? Прежде всего дадим некоторые определения. Под объектами, сближающимися с Землей (ОСЗ), понимают астероиды и кометы, орбиты которых имеют перигелийные расстояния q < 1,3 а.е. Среди них выделяют потенциально опасные объекты (ПОО), под которыми понимают тела, чьи орбиты в настоящую эпоху сближаются с орбитой Земли до минимального расстояния, не превышающего 0,05 а.е. (7,5 млн км). Основанием для того, чтобы считать тела на орбитах,

проходящих от Земли на расстояниях до 20 радиусов лунной орбиты, потенциально опасными, является то обстоятельство, что в таких пределах можно ожидать изменения расстояний между орбитами в обозримом будущем (на протяжении столетия) под влиянием планетных возмущений, а также в связи с ошибками определения элементов орбит. При весомой вероятности встречи астероида с Землей он считается угрожающим. К угрожающим можно условно отнести АСЗ, пролетающие мимо Земли на расстояниях, меньших среднего радиуса лунной орбиты.

Число известных ОСЗ и ПОО быстро растет. По данным НАСА на 1 июня 2010 г. было зарегистрировано 7083 объектов, сближающихся с Землей, в т. ч. 6998 астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), и 85 комет. Из них потенциально опасных объектов – 1125. Из этого числа 145 ПОО имеют размер более 1 км.

Понятно, что столкновения с астероидами рассматриваются как более частые события. Только около 0,4 % тесных (до 0,2 а.е.) сближений известных объектов с Землей приходятся на периодические кометы. Шесть из двенадцати известных прошедших сближений активных комет с Землей до 0,102 а.е. приходились на периодические кометы (см. приложение 2). Поэтому доля тесных сближений активных комет с Землей (среди сближений всех тел) составляет около 1 %. Однако число неактивных («потухших») комет может быть значительно больше, чем активных. Неактивные кометы по своим наблюдаемым свойствам могут почти не отличаться от астероидов, так что к приведенной выше статистике нужно относиться, имея в виду это обстоятельство.

Динамика обнаружения АСЗ представлена на рис. 1.2. На графике хорошо видно, как резко возрос темп обнаружения АСЗ, начиная с 1998 г. Это связано с началом программы «Космическая стража».

Естественно, что наиболее развиты исследования по проблеме обнаружения ОСЗ в США, где работают несколько специализированных служб (LINEAR – Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LONEOS – Lowell Ob-servatory Near-Earth Object Search, NEAT – Near-Earth Asteroid Tracking, и Spacewatch) и ежегодно увеличивается финансирование на развитие работ по обнаружению, каталогизации, определению физических характеристик потенциально опасных объектов. Из международных проектов достойны упоминания австрало-американский проект Catalina Sky Survey (CSS), проект стран Европейского союза Asiago-DLR Asteroid Survey (ADAS). В других регионах осуществляются японский проект Japan Spaceguard Association (JSGA) и др.

Вклад российских обсерваторий, к сожалению, пока невелик. Он в первую очередь выражается в проведении исследований физических свойств астероидов, что весьма важно для планирования возможных методов противодействия столкновению, а также в слежении за уже открытыми объектами и изучении источников их пополнения. Регулярные наблюдения астероидов в настоящее время проводятся в Пулковской обсерватории на автоматизированном телескопе с диаметром зеркала 32 см. Программы наблюдений астероидов, сближающихся с Землей, выполняются и в других обсерваториях. Отметим работу сотрудников Казанского университета на телескопе РТТ-150, установленном в Турции. Казанские коллеги не только проводят позиционные измерения астероидов, сближающихся с Землей, но и определяют массы избранных астероидов динамическим методом. Эпизодические программы наблюдений осуществляются в Институте солнечно-земной физики СО РАН и в Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Рис. 1.2. Динамика обнаружения астероидов, сближающихся с Землей (по данным http://neo.jpl.nasa.gov/stats/)

Что касается тел класса метеороидов, то в течение последних 15 лет сотрудники Института астрономии РАН ведут регулярные наблюдения (на инструментах Звенигородской обсерватории, Симеизской обсерватории – ныне филиал Крымской астрофизической обсерватории, Терскольской обсерватории) избранных метеорных потоков с целью обнаружения тел размером в несколько десятков метров. То, что такие тела существуют, было установлено в 1995 г. Это открытие внесло существенные изменения в наши представления о степени угрозы столкновений с малыми телами (подробнее см. главу 5).

Радарные наблюдения ОСЗ (астероидов и комет) выполняются в основном в радиообсерваториях Голдстоун и Аресибо (США) в количестве 15–20 объектов ежегодно. Такие наблюдения исключительно важны как для уточнения орбит объектов, так и для моделирования их формы, вращения и других физических характеристик. В России и Украине проведены первые эксперименты по радарным и радиоинтерферометрическим наблюдениям астероидов (подробнее о методах и программах обнаружения и исследования малых тел см. в главе 6).

Обработка всей поступающей информации о наблюденных положениях объектов, присвоение предварительных обозначений объектам, идентификация объектов, определение предварительных орбит и их последующее уточнение в настоящее время полностью выполняются под контролем Центра малых планет (ЦМП), финансируемого НАСА и работающего под эгидой МАС (http://cfa-www.harvard.edu/cfa/ps/mpc.html). Центр также публикует информацию об объектах, которые нуждаются в дополнительных наблюдениях для подтверждения их открытия, уточнения орбит и других характеристик.

Прогнозирование движения ПОО, поиск их тесных сближений с Землей и получение оценки вероятности столкновений на протяжении ближайших десятилетий регулярно осуществляется в настоящее время в Лаборатории реактивного движения США (http://neo.jpl.nasa.gov/risk/) и в Пизанском университете (Италия) (http://newton.dm.unipi.it/gi-bin/neodys/).

Конечно, при анализе известных данных о потенциально опасных объектах возникает наиболее существенный вопрос – сколько же неучтенных потенциально опасных объектов? Представляются разумными оценки: от 2 104 (для тел размером более 140 м) и до 106 (для тел крупнее 50 м). Сведения о ближайших известных прохождениях ПОО даны в приложении 1. Слово «известных» подчеркнуто специально, ведь, несмотря на очень значительный прогресс, мы пока еще слишком мало знаем об этом классе малых тел Солнечной системы. Можно сказать, что в силу ограниченности современных наблюдательных возможностей эти тела открываются практически по счастливой случайности.

Поскольку опасность столкновений с малыми телами все более серьезно осознается в наше время на различных уровнях – от профессионалов-ученых до правительств, естественно, встает вопрос о расширении возможных путей предотвращения угрозы. Разработка и создание методов и средств активного противодействия падению космических тел – важная составляющая в подходе к решению проблемы АКО. Выбор метода существенным образом зависит от размеров опасного тела и времени упреждения (времени, остающегося до столкновения). Собственно, таких методов два: уничтожение (дисперсия) угрожающего тела и увод его с угрожающей орбиты.

Мы считаем очевидным, что необходимо развивать все аспекты создания эффективной системы, позволяющей или отклонить, или уничтожить приближающееся к Земле опасное тело. Важнейшими научно-техническими задачами в плане решения проблемы АКО являются:

– организация всемирной сети обнаружения, мониторинга и изучения свойств потенциально опасных объектов;

– организация всемирной (глобальной) системы защиты Земли от этой опасности.

К возможности решения этих задач нас приближают достижения последних двух десятилетий, в том числе:

– проведены и проводятся работы по обнаружению и мониторингу небесных тел (астероидов и комет), которые могут столкнуться с Землей. Эти работы пока находятся в начальной стадии развертывания, но уже дали весьма важные результаты;

– сделаны существенные шаги по созданию системы контроля космического пространства – созданы и создаются средства, способные обнаружить опасные небесные тела (даже небольшие по величине) на подлете к Земле;

– совершенствуется ракетно-космическая техника, которая обеспечивает возможность полета космических аппаратов к малому небесному телу;

– созданы ядерные взрывные устройства, способные отклонить небесное тело от Земли или уничтожить его (в зависимости от размера угрожающего объекта). Так, тело размером 1 км и более невозможно разрушить, даже используя весь накопленный ядерный потенциал Земли.

Более детально вопросы развития методов противодействия освещены в главе 10.

Специфика проблемы активного противодействия состоит в том, что она не может решаться одной страной или группой стран. Это – международная проблема, затрагивающая интересы всех стран, которая может быть решена лишь при наличии международного соглашения в отношении предпринимаемых действий. Особенно чувствительным вопросом является применение ядерных взрывов как инструмента противодействия. Сегодня на вывод ядерного оружия в космос существует запрет. Но в некоторых ситуациях без этого инструмента при современном уровне технологий обойтись нельзя. Можно указать и на ряд других причин, по которым оказание активного противодействия падению космических тел должно стать предметом международного соглашения.

В главе 11 рассмотрены различные аспекты организации международной кооперации (разумеется, с участием России) по проблеме АКО.

Глава 2

Малые тела Солнечной системы

2.1. Классификация малых тел Солнечной системы

О, пыль миров! О, рой священных пчел!Я исследил, измерил, взвесил, счел,Дал имена, составил карты, сметы…М. Волошин

Пространство Солнечной системы между планетами населено телами, чьи размеры сильно отличаются – от мельчайших пылинок до тысячекилометровых астероидов. Эти небесные тела называют малыми телами Солнечной системы. Как отмечалось в главе 1, их подразделяют, в зависимости от размера и свойств, на межпланетную пыль, метеороиды, астероиды и кометы. В разделе 1.1 приведены характерные границы размеров для каждого класса. В принципе, сближаться с Землей при своем движении в пространстве и даже падать на Землю могут любые малые тела. Но угрозу для Земли представляют только наиболее крупные из них. Например, метеороиды размером до 10 м можно считать малоопасными, если же определение метеороидов расширить до 100 м, то столкновения с такими телами, конечно же, становятся весьма опасными и проблему АКО нужно было бы называть астероидно-кометнометеороидной опасностью.

Различие между указанными типами обусловлено как природой этих тел, так и исторической традицией в их изучении. В этом разделе дадим очень краткое представление об этих телах (и карликовых планетах), более глубокое рассмотрение проводится в главах 3–5. Мы практически не рассматриваем в этом разделе, да и в целом в книге межпланетную пыль, поскольку ее роль в проблеме АКО ничтожна.

Метеороиды. Метеороидами называют малые тела, проявляющие себя при падении на Землю как метеоры и болиды, сгорающие в атмосфере. Такие падения наблюдаются как красивые явления, называемые «падающими звездами», а при массовом характере – «звездным дождем» (рис. 2.1). Размеры метеороидов, как правило, не превышают нескольких метров. Некоторые метеороиды долетают до поверхности Земли в виде метеоритов. Значительная часть метеороидов представляет собой довольно рыхлые тела, образующиеся в результате распада кометных ядер.

Рис. 2.1. Метеорный поток Персеиды (http://www/moonglow.net/ccd/pictures/ meteors/index.html)

По динамическим характеристикам метеороиды разделяют на два класса: спорадические и метеороиды, образующие рои. Метеороидный рой – это множество частиц, двигающихся по близким в некотором смысле орбитам. Если метеороидный рой пересекается Землей, то при достаточно больших геоцентрических скоростях метеороидов и пространственной плотности роя мы наблюдаем явление метеорного потока. Наблюдения метеорных потоков – это практически единственный способ регистрации метеороидного роя по наземным наблюдениям. Начиная с открытия Дж. Скиапарелли, установившего сходство орбит метеорного потока Персеиды и кометы 1862 III, считается, что метеороидные рои образуются при разрушении ядер комет. (Подробнее см. в главе 5.)

Астероиды. Наиболее хорошо изученными среди малых тел Солнечной системы являются астероиды – малые планеты. История их исследования насчитывает более двух столетий. В ночь на 1 января 1801 г. Джузеппе Пиацци открыл первую малую планету, которая получила название Церера.

Орбиты практически всех астероидов располагаются между орбитами Марса и Юпитера и образуют Главный пояс астероидов (рис. 2.2). К настоящему времени открыто более 500 тыс. астероидов. Более чем для 200 тыс. астероидов надежно определены орбиты (такие астероиды получают свой номер, а затем и название). По имеющимся оценкам, в Главном поясе существует не менее миллиона астероидов размерами более 1 км.

Рис. 2.2. Солнечная система и Главный пояс астероидов

В прошлые века астрономы, сохраняя древние традиции в названиях планет, присваивали малым планетам имена богов, как греко-римских, так и других. К началу ХХ в. на небе появились имена почти всех известных человечеству богов – греко-римских, славянских, китайских, скандинавских и даже богов народа майя. Открытия продолжались, богов стало не хватать, и тогда на небе стали появляться названия стран, городов, рек и морей, имена и фамилии реальных живых или живших людей. Неизбежным стал вопрос об упорядочении процедуры этой астрономической канонизации имен. Вопрос этот тем более серьезен, что, в отличие от увековечения памяти на Земле (названия улиц, городов и т. п.), имя астероида не может быть изменено. Каждый объект, будучи открыт и занесен в каталог, становится предметом изучения астрономов. Все данные об обнаружении и результатах наблюдений пересылаются в Центр малых планет (ЦМП). После того, как будут проведены многократные наблюдения астероида на интервале времени, превышающем период его обращения вокруг Солнца, ему присваивается постоянный порядковый номер. (Подробно о порядке нумерации см. в главе 3.)

Рис. 2.3. Мгновенное положение астероидов в прямоугольной системе координат, основная плоскость – плоскость эклиптики

Большие полуоси орбит большинства астероидов заключены в пределах от 2,06 до 3,27 а.е., а среднее значение составляет 2,77 а.е. Средний эксцентриситет орбит всех пронумерованных малых планет – 0,14, средний наклон плоскости орбиты астероида к плоскости орбиты Земли – 7,7° (мгновенное положение астероидов см. на рис. 2.3). Скорость движения астероидов Главного пояса относительно Солнца – около 20 км/с, период обращения (астероидный год) составляет от 3 до 9 лет. Период собственного вращения астероидов (т. е. продолжительность суток на астероиде) в среднем составляет 7 часов.