Несостоявшаяся планета: как возник главный пояс астероидов

Астероиды в кино и в жизни

Часто в научно-фантастических фильмах можно увидеть, как герой на космическом корабле влетает в плотное кольцо астероидов и, ловко маневрируя, уворачивается от огромных каменистых осколков. В реальной жизни эта сцена скорее всего выглядела бы не так. Если бы космический аппарат, стартовавший с Земли, оказался в поясе астероидов Солнечной системы, уворачиваться ему бы не пришлось. Угрожать зонду могут только самые большие из астероидов  —  их еще называют малыми планетами. 

Таких объектов не так много, а расстояние между ними гораздо больше, чем можно себе представить. Правда, все это не значит, что в главном поясе астероидов между Юпитером и Марсом нет ничего интересного. Астрономы все чаще приходят к выводу, что без астероидов, возможно, на Земле никогда бы не зародилась жизнь. А падение одного из них привело к вымиранию динозавров 65 млн лет назад. 

Так что же такое пояс астероидов на самом деле? Как он появился? При чем тут орбиты Марса и Юпитера? И есть ли пояса астероидов в других звездных системах?

Образование Солнечной системы

Чтобы ответить на эти вопросы, придется вернуться к самому началу — к рождению Солнечной системы. Сегодня в научном мире принята небулярная гипотеза, согласно которой 4,5 млрд лет назад на месте нынешнего Солнца и планет находилось огромное, рыхлое облако из газа, микроскопической пыли и льда. Внешний толчок — возможно, ударная волна от взрыва массивной соседней звезды — сжал это газовое облако и заставил его вращаться. В центре стало формироваться Солнце, а окружающее вещество сплющилось в диск.  

Крошечные частицы пыли сталкивались, слипались и образовывали все более крупные тела — планетезимали. Затем пришло время процесса аккреции: новые фрагменты материи сцеплялись с планетезималями, росла их масса, а вместе с ней и гравитация. Постепенно из планетезималей возникали протопланеты, а затем и знакомые нам восемь планет — Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. 

Между четвертой планетой, Марсом, и пятой, Юпитером, лежит огромное по меркам нашей системы расстояние. Марс находится в 1,5 астрономической единице (а. е.) от Солнца, а Юпитер — в 5,2. Одна астрономическая единица — это дистанция от Земли до Солнца, она равняется примерно 150 миллионов километров. Если вычесть из большего расстояния меньшее, можно узнать, что между Юпитером и Марсом 3,7 а. е., или примерно 555 миллионов километров. Здесь вполне достаточно места для еще одной планеты. Но где она?

Как появился главный пояс астероидов

На этот счет есть разные идеи. 

Долгое время астрономы считали, что между Марсом и Юпитером действительно была крупная планета, которую разрушило столкновение с кометой. В таком случае, осколки этой «потерянной планеты» и стали главным поясом астероидов. 

Сейчас большинство ученых убеждены, что в этом уголке космоса никогда не существовало большого небесного тела: оно просто не успело сформироваться. Все дело в огромной массе Юпитера. Она составляет примерно 2 × 10²⁷ кг. Для сравнения масса Земли — около 6 × 10²⁴ кг. 

Из-за своих размеров газовый гигант обладает сильнейшим гравитационным полем, которое и помешало образоваться потенциальной планете. Притяжение Юпитера заставляло космические объекты менять орбиты, сталкиваться и постоянно дробиться на части. Именно так и возник главный пояс астероидов. Он представляет собой область, заполненную остатками вещества, из которого могла бы получиться планета. 

Расположен пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера, а его условный центр находится примерно в 2,7 а. е. от Солнца.

Какие бывают астероиды

Астероиды делят на три типа:

• С-тип (углеродистые). Эти астероиды состоят в основном из углерода и кремния. Они составляют около 75 % известных астероидов. Считается, что по своему составу они очень близки к исходному веществу Солнечной системы (правда, в них отсутствует водород и гелий). Эти объекты хорошо поглощают свет. Чаще всего их встречают во внешних частях главного пояса. 
• S-тип (кремнистые). Таких астероидов в Солнечной системе около 17 %. В их составе преобладают силикатные минералы, а также железо и магний. Обычно кремнистые астероиды наблюдают ближе к внутреннему краю пояса.
• М-тип (металлические). На их долю приходится примерно 8 % известных астероидов. Они состоят из металлического железа и находятся в средней части пояса. 

Значительная часть астероидов имеет очень скромные размеры — не больше камешка. Общая масса всего пояса астероидов оценивается менее чем в 1/1000 массы Земли. Это даже меньше половины массы Луны. Только 16 астероидов имеют диаметр больше 240 км. Крупнейший из них — Церера, диаметр которой составляет около 1000 км. Сегодня ее относят к карликовым планетам.

Астероиды вращаются вокруг Солнца, их орбиты направлены в ту же сторону, что и орбита Земли. И также как и Земля, они вращаются еще и вокруг своей оси. Период вращения астероидов может составлять от одного часа до суток. Большинство астероидов размером более 200 м вращаются очень медленно, они делают не чаще одного оборота за 2,2 часа. Так происходит, скорее всего потому, что эти объекты довольно «рыхлые» и состоят из множества более мелких фрагментов. Если бы они крутились быстрее, центробежная сила разорвала бы их на части. Яркий пример — астероид 253 Матильда. При диаметре около 52 км он имеет очень низкую плотность, сопоставимую с плотностью воды.

Что еще можно увидеть в главном поясе

В главном поясе встречаются не только астероиды. В 2005 году аспирант Генри Ши и профессор Дэвид Джуитт из Гавайского университета наблюдали за спящим вулканом Мауна-Кеа с помощью телескопа Gemini North. Внезапно они заметили в космосе странный объект. Астероид 118401 испускал пыль, словно комета. Когда ученые рассмотрели его внимательнее, оказалось, что перед ними не астероид и не комета, а нечто совершенно новое — комета главного пояса.

Кометы представляют собой большие скопления льда и космической пыли. Обычно они вращаются вокруг Солнца по эллиптической траектории. При сближении с Солнцем лед начинает испаряться, а за кометой появляется хвост из газа. Кометы главного пояса ведут себя иначе. Их орбиты больше похожи на астероидные: они сравнительно ровные и не такие вытянутые. Кометы главного пояса также состоят из льда, а значит, подобный объект мог бы столкнуться с Землей и принести на нее воду. 

Долгое время считалось, что вода на нашей планете появилась в результате столкновения с обычными кометами. Но их вода сильно отличается по составу от земной. Если вода с астероидов и комет главного пояса окажется похожей на нашу, это будет означать, что именно эти тела сыграли ключевую роль в зарождении жизни на Земле.

Астероиды в других поясах

Не все астероиды нашей системы находятся в главном поясе. За орбитой Нептуна находится пояс Койпера. Это дискообразная область, заполненная веществом, оставшимся после формирования Солнечной системы. 

Пояс Койпера начинается в 30 а. е. от Солнца и тянется на расстояние до 50 а. е. В отличие от главного астероидного пояса, он состоит не из каменистых тел, а из больших ледяных объектов. Именно из пояса Койпера приходят большинство короткопериодических комет — комет, которые облетают Солнце меньше, чем за 200 лет.

Астероиды вне Солнечной системы

Есть ли нечто подобное главному поясу астероидов у других звезд? Судя по наблюдениям, да. В 2005 году астрономы НАСА обнаружили признаки массивного пояса астероидов у звезды HD 69830, расположенной примерно в 41 световом году от Земли. 

Возможно, это аналог нашего пояса астероидов — скопление вещества, которое не смогло собраться в крупное тело. С другой стороны, перед нами может быть звездная система на ранней стадии формирования планет. В любом случае такие наблюдения помогают лучше понять, как образовалась наша Солнечная система.

По материалам science.howstuffworks.com