КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 3, с. 226-235
УДК 629.198
О ВОЗМОЖНОСТИ ДОСТАВКИ ОБРАЗЦОВ РЕЛИКТОВОГО ВЕЩЕСТВА С АСТЕРОИДОВ ГЛАВНОГО ПОЯСА КОСМИЧЕСКИМ
АППАРАТОМ С ЭРД
© 2007 г. Г. Б. Ефимов
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва Поступила в редакцию 29.12.2005 г.
Рассмотрены возможности экспедиции к астероидам Главного пояса с целью получения образцов вещества с них при использовании КА с ЭРД малой тяги, разрабатываемого в рамках проекта "Фобос-Грунт". Обосновывается задача получения вещества из различных областей Солнечной системы, что необходимо для понимания ее происхождения и строения Земли. Рассмотрены приближенные оценки для полетов КА с ЭРД и различной мощностью солнечных батарей и с пертурбационным маневром у Марса для экспедиций в Главный пояс астероидов, в том числе в среднюю его часть.
PACS: 45.40.6j, 95.25,-f
ЗАДАЧА ДОСТАВКИ РЕЛИКТОВОГО ВЕЩЕСТВА К ЗЕМЛЕ
Среди задач изучение космического пространства с самого начала одной из основных была задача получения сведений, позволяющих понять происхождение Солнечной системы и, связанная с ней, проблема происхождения Земля [1].
Многочисленные модели формирования Земли и особенно верхней части мантии, известные в настоящее время, требуют для сравнения, уточнения и проверки использования новых фактических данных. Космохимия является одним из источников получения необходимых данных, путем сравнения химии и минерального состава тел Солнечной системы и аппроксимации по ним состава вещества Земли.
Модель происхождения Солнечной системы, полученная путем численного моделирования в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН в 1970-х годах Т.М. Энеевым и Н.Н. Козловым [2] предлагает некоторые подходы, имеющие соответствия в данных современной космохимии. Различные области Солнечной системы - кольцевые зоны формирования планет из общего протопланетного диска -согласно этой модели на первоначальной стадии имели слабое перемешивание и могли бы заметно отличаться по своему химическому составу, входящим в этот состав изотопам, а также по образовавшимся в них минералам. В этом состоит одно из отличий указанной модели формирования планет от традиционных моделей учеников О.Ю. Шмидта, согласно которым формирование планет происходило из твердых тел, планетезималей, и в процессе формирования планет внутри кольцевых зон и
между ними имело место активное перемешивание вещества.
Для оценки химического состава Протоземли важно было бы получить образцы вещества из нескольких различных поясов Солнечной системы, чтобы по ним составить представление о веществе Земли. При этом следует иметь в виду два обстоятельства.
Во-первых, желательно, чтобы эти образцы относились к "реликтовому" веществу, сохранившему минеральный, химический и изотопный состав со времен формирования Солнечной системы в возможно неизмененном виде. Вещество больших планет этому условию не удовлетворяет, так как оно прошло через многочисленные геологические процессы. Считается, что в неизмененном виде может сохраниться вещество небесных тел размерами около 100-200 км в диаметре. Образцы вещества метеоритов, например (которые, вероятно, являются осколками таких тел), отличаются большой примитивностью минералов, в них входящих, и заметным отличием химического и изотопного состава от вещества Земли (так, в метеоритах содержится во много раз больше, чем в земных породах, элемента иридия).
Во-вторых, необходимо знать, из какой области Солнечной системы происходят полученные образцы вещества. Доставленные с Луны образцы грунта показали, в основном, близость с веществом Земли, притом, что лунное вещество прошло через изменения и не может считаться реликтовым. Кроме земного вещества, в нашем распоряжении имеются многочисленные образцы вещества метеоритов. Однако, представляется весьма вероятным, что метеориты, как и по-
рождающие их астероиды, сближающиеся с Землей (АСЗ), образующие группы Амура, Аполлона и Атона, являются мигрантами из отдаленных областей Солнечной системы [3]. Первые соображения о приходе АСЗ не из Главного астероидного пояса, а из далеких областей, были высказаны еще в 60-х годах Андерсом и Е. Эпиком. Механизм миграции малых тел из удаленных областей в окрестность Земли был тогда же исследован, на примере комет, Е.И. Казимирчак-Полонской.
Надо сказать, что модель Т.М. Энеева и H.H. Козлова возникла из желания уточнить некоторые неясные места теории О.Ю. Шмидта и его учеников, например, формирование "зародышей" планет в каждой зоне, лидирующих в размерах среди других тел зоны и объединяющих эти тела вокруг себя [2, 3]. Однако процесс исследования привел к ряду уточнений и отличий. Один из результатов - получение прямого вращения планет, формирующихся путем объединения многих тел, движущихся по близким круговым орбитам. Тело, расположенное ближе к Солнцу, догоняет другое, орбита которого отстоит дальше от центра. При линеаризованной модели их взаимодействия (когда движения тел рассматриваются как прямолинейные) получается не прямое, а обратное закручивание объединенного тела и, соответственно, обратное вращение планеты, получившейся в результате подобных взаимодействий. Такой результат был получен А. Пуанкаре, благодаря линеаризованной модели явления. Анализ и точный учет нелинейности при моделировании позволил получить прямое вращение объединенного тела в большинстве случаев. Только при большом расстоянии между орбитами тел, на пределе их взаимодействия, получается обратное вращение - примерно в 15% случаев, - что соответствует и доле случаев обратного вращения среди планет Солнечной системы.
Согласно указанной модели образования Солнечной системы, процесс формирования планет в кольцевых зонах происходил в состоянии вещества в виде газо-пылевых сгущений, облаков больших размеров (в десятки и сотни км в диаметре). Причем первоначальные орбиты движения этих сгущений вокруг Солнца были близки к круговым и лежали близко к плоскости эклиптики. Поддержание облаков-сгущений в газообразном состоянии обеспечивалось подогревом и ионизацией от коротко живущих радиоактивных изотопов (прежде всего, 26Al с периодом полураспада ~0.75 млн. лет) образовавшихся при взрыве сверхновой, который послужил зарождению Протосолнца и протопла-нетного диска из межзвездного вещества.
Процесс объединения газо-пылевых сгущений в планету в разных кольцевых зонах происходил с разной скоростью, в соответствии с периодами обращения тел этих зон по своим орбитам. Так, планеты земной группы, согласно модели, обра-
зовывались за времена в десятки тысяч лет, планеты-гиганты - за сотни тысяч лет: Юпитер - за 100 тысяч лет, Сатурн - за 300 тысяч. Время образования Нептуна (более 500 тысяч лет) близко к периоду полураспада 26 А1 и уменьшению потока энергии, препятствовавшему сжатию газо-пыле-вых сгущений в твердые тела, планетезимали. В кольцевой зоне за Нептуном подогрев газо-пыле-вых сгущений за счет 26 А1 прекратился до формирования единой планеты и вместо нее образовался астероидный пояс из множества планетезималей.
Соображения, изложенные выше, были высказаны, как одно из следствий теории моделирования образования Солнечной системы, в 1979 году Т.М. Энеевым [4, 5]. Было предсказано существование астероидного пояса за Нептуном (и даже нескольких поясов), предполагалось, что Плутон является одним из тел такого пояса, и предлагалось организовать их наблюдение. Было организовано наблюдение этих тел, одно из них удалось обнаружить, однако на пределе погрешности, и подтвердить это наблюдение не удалось. С тех пор открыто большое число астероидов за-нептунного пояса, размеры которых составляют, как правило, 200-300 км в диаметре, но есть и большие. Тела такого размера, содержащие вещество в неизмененном или слабо измененном, реликтовом состоянии, могут иметь каменно-ме-таллические ядра и льдистые мантии. Предполагалось [4], что из осколков этих тел, получившихся в результате их столкновений, могли образоваться астероиды, в том числе АСЗ, - из их ядер, и кометы - из их мантий.
Исследования последнего времени по миграции малых тел в Солнечной системе показали достаточно подробно, как может происходить "раскачка" орбит астероидов в занептунном поясе, изменение их эксцентриситетов и больших полуосей (см., например [4, 6]), понижающая перигелии их орбит и делающая их подверженными сильным возмущениям больших планет, в первую очередь Нептуна. При более тесном сближении с планетой начинает действовать механизм воздействия на орбиту астероида возмущений от больших планет, опускания перигелием их орбит внутрь Солнечной системы, в области воздействия Урана, Сатурна и Юпитера, приводящие часть из них в зону планет земной группы. Другая часть, большая в процентном отношении, теми же возмущениями больших планет выбрасывается в отдаленные области Солнечной системы или за ее пределы. Таким образом, можно предполагать (и это признается все большим числом исследователей), что значительная, даже основная часть АСЗ и метеоритов, происходящих из них, являются мигрантами из удаленной занептунной области, называемой также "поясом Койпера".
Образцы реликтового вещества можно получить, причем с привязкой к известной области, с некоторых спутников планет и из Главного пояса астероидов. Чтобы содержать реликтовое вещество из данной зоны протопланетного диска, спутники должны быть относительно небольшими и близко расположенными к планете. У Юпитера, например, этим требованиям удовлетворяет спутник Амальтея, в то время как дальние спутники (особенно, обнаруженные в последние годы), с большой вероятностью являются захваченными. Другие ближние спутники Юпитера слишком велики, и их вещество претерпело геологические преобразования. Удовлетворяют этим требованиям спутники Марса Фобос и Деймос. В связи с этим их свойством в Российскую космическую программу, в проект "Фобос-Грунт" была включена задача доставки реликтового вещества с Фобоса [7].
Астероиды Главного пояса образовались в кольцевой зоне, лежащей между Марсом и Юпитером. Формированию единой планеты, видимо, помешал Юпитер, "оттянувший" к себе большую часть вещества соседней зоны или
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.