АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 2, с. 149-168
УДК 523.44
ТРОЯНЦЫ ЮПИТЕРА: ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ
© 2014 г. И. Г. Слюсарев, И. Н. Бельская
НИИ астрономии Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина
Поступила в редакцию 29.03.2012 г.
В статье представлен обзор современных представлений о физических свойствах троянцев Юпитера. Проанализированы распределение периодов вращения и амплитуд кривых блеска, особенности фазовых зависимостей блеска, имеющиеся данные о составе поверхности, плотности, диаметрах и альбедо троянцев. Кратко рассмотрены также история открытия троянцев, динамические свойства и гипотезы о происхождении. Очерчен круг нерешенных проблем в изучении этой популяции малых тел.
DOI: 10.7868/S0320930X14020066
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие наблюдается значительный рост числа исследований, посвященных изучению троянцев Юпитера. Это связано, прежде всего, с открытием пояса Койпера, что привело к новому мощному всплеску исследований по космогонии Солнечной системы. Немаловажную роль в этом процессе сыграло также открытие внесолнечных планет и их систем и постоянный рост числа таких открытий, начиная с 1995 г. До этого момента, зная Солнечную систему "в единственном числе", у нас не было возможности проследить ее эволюцию путем сравнения с однотипными объектами, находящимися на различных стадиях развития. Однако с дальнейшим прогрессом в понимании процессов образования Солнечной системы со всей остротой снова встали вопросы, ответы на которые казались давно найденными. Один из таких вопросов связан с происхождением и эволюцией популяции троянцев. Главная цель современных исследований астероидов-троянцев — понять комплекс физико-химических процессов, которые привели к образованию этой популяции и определили ее эволюцию. Результаты таких исследований представляются исключительно важными для более полного понимания процессов образования как отдельных планет, так и эволюции Солнечной системы в целом. В данной статье представлен обзор современных представлений о происхождении троянцев Юпитера, их динамических и физических свойствах, а также очерчен круг нерешенных проблем в изучении этой популяции малых тел.
ОТКРЫТИЕ И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОПУЛЯЦИИ ТРОЯНЦЕВ ЮПИТЕРА
Троянцами называют астероиды, совершающие помимо обычного обращения вокруг Солнца
также и либрационное движение вокруг одной из треугольных точек Лагранжа L4 или L5 в системе Солнце—Планета. В соответствии с уравнениями ограниченной задачи трех тел, условия устойчивости для троянских орбит выполнены для всех планет Солнечной системы (см., например, Мар-кеев, 1978). К настоящему времени многочисленная популяция троянцев открыта у Юпитера. Единичные тела на троянских орбитах обнаружены у Марса (Innanen и др., 1991), Нептуна (Chiang и др., 2003) и Земли (Connors и др., 2011). У Сатурна и Урана таких тел обнаружить пока не уда-
1
лось, несмотря на активные поиски.
К началу 2012 г. открыто 5023 троянцев Юпитера, при этом 3192 тел находятся вблизи точки L4 ("греки") и 1743 объектов — вблизи точки L5 ("троянцы") системы Солнце—Юпитер (по данным Центра малых планет Международного астрономического союза, http://www.minorplanetcenter. net/iau/lists/Trojans.html). Однако орбиты определены достаточно точно только для половины открытых троянцев, которым присвоены постоянные номера. Эти троянцы наблюдались как минимум в двух оппозициях, их орбиты вычислены с учетом возмущений от планет, а расчетные положения хорошо совпадают с наблюденными. Распределение троянцев по орбитальным элементам в сравнении с астероидами главного пояса и группой Гильды показано на рис. 1. Из рисунка хорошо видно, что троянцы представляют собой обособленную группу тел со средним значением большой полуоси 5.2 а. е. Следует отметить, что в координатах "большая полуось—наклон орбиты" и "большая полуось—эксцентриситет" троянцы выделяются малыми, по сравнению с астероидами
1 За время, пока статья была в редакции, было сделано важное открытие — обнаружен первый троянец Урана (А1ех-аМегееп и др., 2013).
Рис. 1. Диаграммы "большая полуось—наклон орбиты" (слева) и "большая полуось—эксцентриситет" (справа), построенные для астероидов с большой полуосью в диапазоне 1—6 а. е. по данным Minor Planet Center orbit database (ftp://cfa-ftp.harvard.edu/pub/MPCORB/MPCORB.DAT). Троянцы хорошо видны как обособленная группа тел со средним значением большой полуоси 5.2 а. е.
главного пояса и группой Гильды (большая полуось вблизи 4 а. е.), эксцентриситетами и большим диапазоном значений наклонов орбит.
История открытия
История изучения троянцев берет свое начало со знаменитой работы 1772 года Ж.Л. Лагранжа (1736—1813) (Lagrange, 1873), которую он подал на премию Парижской академии, содержащей, как писал в предисловии сам Лагранж, метод для решения проблемы трех тел, отличный от всех ранее предложенных. Исходя из предположения, что три тела произвольной массы движутся в неподвижной плоскости, Лагранж поставил и решил следующую задачу: определить все те движения в проблеме трех тел, когда взаимные расстояния между телами сохраняют постоянные отношения. Из решения следовало, что все три тела движутся, находясь в вершинах равностороннего треугольника. Однако Лагранж не верил, что такая специфическая конфигурация может реально существовать в природе. В последующих работах Дж.У.Хилла (1838-1914), А.М. Ляпунова (1846— 1911) и А. Пуанкаре (1854—1912) было показано, что помимо точных решений Лагранжа имеются еще и другие семейства решений в областях, окружающих точки либрации, так называемые периодические орбиты. Стало понятным, что орбиты троянцев являются первым примером таких орбит. Вопрос о существовании, методах построения и устойчивости этих орбит вокруг треугольных точек либрации в значительной степени стимулировал появление новых аналитических и численных методов исследования сложных нелинейных гамильтоновых систем, которые приме-
няются и в других областях естествознания (Мар-кеев, 1978). Анализу особенностей движений тел на троянских орбитах посвящено много работ, в том числе отечественных авторов (см., например, Рябов, 1956; Чеботарев, 1973; Загретдинов, 1986; Абдульмянов, Загретдинов, 1994).
22 февраля 1906 г. на Гейдельбергской обсерватории Макс Вольф (1863—1932) открыл астероид (588) Ахилл вблизи точки Лагранжа Ь4 системы Солнце—Юпитер — первый астероид-троянец. Через 8 месяцев на той же обсерватории был открыт первый представитель группы Ь5 — (617) Патрокл, а в феврале 1907 г. — второй представитель группы Ь4— (624) Гектор. Оба объекта были открыты немецким астрономом Августом Копффом (1882—1960). В 1908 г. Вольфом был открыт астероид (659) Нестор, принадлежащий к группе Ь4, а в 1917 г., вблизи Ь5, — астероид (884) Приам. Идея называть объекты новой группы именами героев "Илиады" Гомера принадлежит венскому астроному Иоганну Па-лизе (1848—1925), определившему орбиты первых открытых троянцев. Астероиды, движущиеся вблизи точки либрации Ь4, как и Ахилл, было предложено называть в честь греческих воинов, осаждавших Трою, а в популяции Ь5 астероидам давали имена защитников города. Астероиды, носящие имена Гектора и Патрокла, двигаются в "лагерях" своих мифических врагов и являются исключениями из этого правила. Следующие 7 троянцев — (911) Агамемнон, (1143) Одиссей, (1172) Эней, (1173) Анхиз, (1208) Троил, (1404) Аякс, (1437) Диомед — были открыты Карлом Ренмутом в Гейдельберге между 1919 и 1949 годами. В Мак-дональдском обзоре (Кшрег и др., 1958) было открыто еще 6 троянцев, но последующее увеличе-
ние числа открытых троянцев было очень медленным. Динамика этого процесса показана на рис. 2. Хорошо видно, что с началом поисковых обзоров в 1970—1980 гг. и переходом от фотографических пластинок к электрофотометрии и далее к ПЗС-матрицам скорость открытий троянцев значительно увеличилась. В настоящее время скорость открытий замедлилась, так как, по-видимому, все троянцы Юпитера крупнее 20 км в диаметре уже открыты (см. след. подраздел).
Распределения астероидов-троянцев
по абсолютным звездным величинам.
Оценки общего числа троянцев
Вид распределения троянцев по размерам характеризует степень столкновительной эволюции, которую прошла эта популяция малых тел, поэтому детальное его исследование может помочь лучше понять те условия в протопланетном диске, в которых они формировались (см., например, Davis и др., 2002).
Достоверные размеры измерены только у небольшого числа троянцев (см. подраздел Абсолютные звездные величины...), поэтому для анализа используют распределение троянцев по абсолютным звездным величинам, которое можно преобразовать в распределение по диаметрам, в предположении того или иного среднего альбедо поверхности. После Макдональдского обзора (Kuiper и др., 1958) стало ясно, что число астероидов N (в логарифмической шкале) в некотором интервале изменения абсолютной звездной величины Н возрастает с увеличением Н приблизительно по линейному закону: lg(N) = a + bH, где a — константа, задающая число тел с Н = 0, b — наклон прямой. Здесь и далее под Н подразумевается абсолютная звездная величина астероида в полосе V.
Если это выражение записать в дифференциальном виде, перейти от абсолютной звездной величины Н к радиусу R и проинтегрировать от —да до Н, то получим степенную зависимость N(>R) = = cR-q, где с — константа, R — радиус астероида, q — показатель степени, называемый иногда еще по-пуляционным индексом. При таком виде распределений q = 5b.
По виду зависимости числа астероидов от абсолютной звездной величины можно выяснить полное количество тел, больших заданного размера. А также, какая доля от этого числа уже открыта. Если помимо альбедо известны и плотности тел, составляющих популяцию, то становится возможным определить и ее полную массу.
Первые оценки общего числа троянцев были сделаны после обработки данных Паломарско-Лейденского обзора неба (1960—1977). Так, Van Houten и др. (1970), считая геометрическое альбедо для всех троянцев одинаковым и равным 4% (к моменту проведения этого обзора уже были из-
Число
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.