Влияние Юпитера и безопасные зоны
Анализируя структуру пояса астероидов, можно заметить интересную закономерность: по мере удаления от Солнца доля тел на почти круговых орбитах увеличивается. Во внутренней группе (III) таких астероидов всего 36%, в средней (II) — 44%, а во внешней (I) — уже 60%. Это явление, вероятно, является следствием гравитационного влияния Юпитера. Гигантская планета, расположенная за внешней границей пояса, действовала как космический «санитар», вычищая свои окрестности. Тела с высокоэллиптическими орбитами, приближаясь к Юпитеру, испытывали мощные гравитационные возмущения, которые в итоге выбрасывали их за пределы пояса или даже Солнечной системы. Выжили лишь те астероиды, чьи орбиты были достаточно стабильны и не подводили их опасно близко к планете-гиганту. Таким образом, современные обитатели пояса находятся в своего рода «безопасной зоне».
Постоянные возмущения и незамкнутые орбиты
Однако полной безопасности не существует. Все астероиды постоянно испытывают гравитационное воздействие планет, и сильнее всего — со стороны Юпитера. Их орбиты непрерывно меняются. Если говорить строго, путь астероида в пространстве — это не классический замкнутый эллипс, а серия незамкнутых, квазиэллиптических витков, уложенных рядом. Эти витки почти совпадают, и лишь во время редких сближений с планетами траектория заметно отклоняется.
Уязвимость астероидов по сравнению с планетами
Планеты также возмущают движение друг друга, но эти воздействия незначительны и не угрожают стабильности Солнечной системы — столкновения планет практически исключены. С астероидами ситуация иная. Из-за значительных эксцентриситетов и наклонов их орбит даже фоновые планетные возмущения, без тесных сближений, со временем накапливаются и приводят к существенным изменениям траекторий. Каждая планета «тянет» астероид к себе, и Юпитер делает это сильнее всех. Поскольку период наблюдений за астероидами относительно краток, заметные изменения орбит зафиксированы лишь в единичных случаях. Поэтому наше понимание долгосрочной эволюции их путей основано в основном на теоретических моделях.
Многослойная динамика орбит
Теория описывает сложную, многоуровневую динамику. Орбита каждого астероида совершает небольшие колебания вокруг среднего положения с периодом в десятки или сотни лет. Синхронно и с малой амплитудой меняются большая полуось, эксцентриситет и наклон. Точки перигелия и афелия то приближаются к Солнцу, то удаляются от него. Эти краткосрочные колебания являются частью более масштабных циклов, длящихся тысячи или десятки тысяч лет. На этих масштабах времени большая полуось обычно остается постоянной, но амплитуды изменений эксцентриситета и наклона могут быть гораздо больше.
Модель гравитирующих колец и прецессия
При рассмотрении столь длительных периодов удобно перейти от дискретных планет и астероидов к модели непрерывных гравитирующих колец, размазанных по своим орбитам. Наклон орбиты астероида к плоскости эклиптики, где расположены планетные кольца, заставляет его вести себя подобно гироскопу, но в более сложной форме, так как сама орбитальная форма не является жесткой. Происходит прецессия — вращение орбиты, при котором нормаль к ее плоскости описывает конус вокруг Солнца. Линия узлов при этом медленно вращается в плоскости эклиптики.
Циклические изменения элементов орбиты
За один такой оборот наклонение и эксцентриситет испытывают два полных колебания. Когда линия узлов совпадает с линией апсид (соединяющей перигелий и афелий), наклон максимален, а эксцентриситет минимален — орбита становится почти круговой. Перигелий в этот момент максимально удален от Солнца, а афелий — приближен. Затем, по мере смещения линии узлов, наклон уменьшается, перигелий движется к Солнцу, афелий — от него, эксцентриситет растет, а орбита становится более вытянутой. Крайние значения достигаются, когда линия узлов перпендикулярна линии апсид. Исследования показывают, что эти изменения сами встроены в еще более грандиозные циклы с большими амплитудами, в которые вовлекается и линия апсид.
Итог: пульсация, вращение и столкновения
Таким образом, каждая орбита астероида непрерывно пульсирует и вращается в пространстве. Для орбит с малым эксцентриситетом и наклоном эти изменения почти незаметны. Но чем больше эти параметры, тем сильнее проявляются долгосрочные возмущения. Планетная гравитация приводит к постоянному перемешиванию орбит, а значит, и самих астероидов, движущихся по ним. Это создает условия для их взаимных столкновений. За 4.5 миллиарда лет существования пояса такие столкновения происходили многократно. Наклоны и эксцентриситеты орбит приводят к тому, что астероиды сближаются под разными углами, и их относительная скорость в среднем составляет около 5 км/с. Столкновения на таких высоких скоростях носят катастрофический характер и приводят к разрушению тел, что является ключевым процессом в эволюции астероидной популяции.
Еще по теме здесь: Космос.
Источник: Движения астероидоов.