Исследование физико-химических и динамических свойств астероидов с признаками сублимационно-пылевой активности с целью определения их природы и вероятного происхождения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00115

НазваниеИсследование физико-химических и динамических свойств астероидов с признаками сублимационно-пылевой активности с целью определения их природы и вероятного происхождения

Руководитель Бусарев Владимир Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые слова активные астероиды, спектрофотометрия, химико-минеральный состав, углистые хондриты, космические ресурсы, H2O

Код ГРНТИ41.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
- Как показывают результаты исследований метеоритов, представляющих собой в основном фрагменты малых небесных тел, астероиды – это наиболее древние и наименее измененные с момента своего возникновения тела Солнечной планетной системы, которые содержат информацию о первичных процессах формирования планет. Наиболее эффективным массовым методом дистанционных исследований астероидов, как безатмосферных небесных объектов, является спектрофотометрический, позволяющий с помощью дифференциальных астрофизических измерений и расчета спектров диффузного отражения этих тел, проводить оценку состава их вещества по характерным и достаточно широким минералогическим полосам поглощения. Следует отметить, что этот метод основан на использовании близких к астероидам по спектральным характеристикам метеоритов (имеющихся в земных коллекциях и детально изученных), как аналогов вещества. В качестве других дистанционных методов изучения твердых небесных тел применяются также поляриметрия и радиолокация, но они в основном используются как дополнительный источник информации. Важно подчеркнуть, что с развитием космических (in situ) исследований астероидов значимость дистанционных методов не только не уменьшается, а, наоборот, возрастает по причине стремительного роста открытий новых тел: только в Главном поясе их уже насчитывается более миллиона. Кроме того, в течение примерно последнего десятилетия среди астероидов Главного пояса обнаружен новый класс объектов – так называемые "активные астероиды" или «кометы Главного пояса» - КГП (используемые в заявке сокращения даны в прилагаемом файле "Abbreviations.pdf"). Это тела (их пока известно несколько десятков), у которых были зарегистрированы хотя бы один раз выраженные признаки кометной активности (образование комы или хвоста). Один из самых информативных каналов изучения кометной активности подобных тел - их наблюдения (получение спектров и изображений) в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне с помощью средств космического базирования (Shustov et al., 2018, полные ссылки даны в прилагаемом файле "References.pdf"). Несмотря на то, что оптическая толщина в видимом диапазоне продуктов кометной активности малых тел (пылевой и газовой атмосферы) очень мала, в УФ такие структуры диагностируются гораздо увереннее (именно поэтому кометная программа Космического телескопа Хаббла нацелена на изучение таких объектов). Такая хорошо детектируемая активность может возникать, как правило, при столкновениях тел или сильных метеороидных ударах, ведущих к дезинтеграции тел, или при интенсивной сублимации льдов, содержащихся в теле астероида и появившихся на поверхности астероида вследствие удара. Обсуждаются и другие механизмы (см., (Jewitt, 2012), но все они слабы и требуют для активации весьма специфичных условий. Однако наши исследования показывают (Busarev et al., 2015; 2018; 2021b), что наиболее частой и распространенной (хотя и относительно слабой и не проявляющейся так явно, как у КГП) может быть сублимационная активность астероидов примитивных типов, ведущая к образованию у них временной пылевой экзосферы при прохождении области перигелия, когда достигаются наиболее высокие подсолнечные температуры. Особый интерес представляет обнаружение одновременной сублимационной активности на нескольких астероидах примитивных типов вблизи перигелия (Busarev et al., 2018; 2021b). Это указывает на значительную распространенность и высокое содержание водяного льда на примитивных астероидах Главного пояса, что можно рассматривать как признак образования большинства таких астероидов (или их родительских тел) за снеговой линией, в зонах формирования планет-гигантов и, в первую очередь, Юпитера (Busarev, 2012). - В данном проекте мы предлагаем провести: (1) определение или уточнение базовой минералогии вещества доступных для наблюдения астероидов Главного пояса, а также астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ) (до ста объектов ежегодно) на основе их спектрофотометрических и/или многополосных (UBVRI) наблюдений и моделирования их спектров отражения, (2) поиск признаков сублимационно-пылевой экзосферы у астероидов примитивных типов, находящихся вблизи перигелия, (3) лабораторные измерения спектров диффузного отражения и определение минералогии вещества ранее неизученных образцов метеоритов (из метеоритной коллекции РАН и др.) для создания первой отечественной базы данных этих характеристик, необходимых для более точной дистанционной аналоговой оценки состава вещества астероидов, (4) изучение эволюции параметров орбит популяций малых тел Главного пояса, АСЗ и Троянцев Юпитера под влиянием планет-гигантов и планет земной группы для определения наиболее вероятных сценариев пополнения и характерного времени существования этих популяций, (5) подготовку программы наблюдений активных астероидов в УФ-диапазоне с помощью космической УФ-обсерватории "Спектр-УФ". - Обнаружение активности астероидов открывает новую возможность их более глубокого исследования. Обнаружение новых активных объектов и изучение их природы перечисленными методами должны дать более точные ответы на ключевые вопросы не только о происхождении астероидов, но и на связанные с ними другие вопросы. Один из таких фундаментальных вопросов – это обоснование доставки астероидами примитивных типов воды (напр., Piani et al., 2018) и сложных органических соединений (например, аминокислот, обнаруженных в углистых хондритах) (напр., Cobb, Pudritz, 2014) на раннюю Землю, что, вероятно, обеспечило создание условий для возникновения жизни. Следует также упомянуть два важнейших практических аспекта изучения малых тел, вызывающих в последнее время значительный интерес (или озабоченность), – это астероидно-кометная опасность и использование внеземных природных ресурсов. Таким образом, обозначенные проблемы, на решение которых направлен предлагаемый проект, входят в число наиболее обсуждаемых на мировом уровне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Золотарёв Р. В., Шустов Б. М. Золотарёв Р. В., Шустов Б. М. Динамическая шкала АСЗ: зависимость от орбитальных параметров // Научные труды Института астрономии РАН. — 2022. — Т. 7, Вып. 1 — С. 23–29. Научные труды Института астрономии РАН, Том 7, Вып. 1, с. 23–29. (год публикации - 2022)
10.51194/INASAN.2022.7.1.004

2. Щербина М.П., Бусарев В.В., Бурлак М.А., Иконникова Н.П. Щербина М.П., Бусарев В.В., Бурлак М.А., Иконникова Н.П., Результаты UBVRI-фотометрии в КГО МГУ и сравнительный анализ физических и динамических параметров астероидов с вероятными признаками сублимационной активности. Научные труды ИНАСАН, 2022. Научные труды Института астрономии РАН, т. 7, Вып. 1. с. 93-103. (год публикации - 2022)
10.51194/INASAN.2022.7.1.015

3. Савелова А.А., Бусарев В.В., Щербина М.П., Барабанов С.И. Савелова А.А., Бусарев В.В., Щербина М.П., Барабанов С.И. Использование "шаблонов" спектральных типов астероидов для уточнения минералогии этих тел и обнаружения признаков сублимационно-пылевой и солнечной активности. ИНАСАН. 2022. т.7, Вып. 2. с. 143-148 Научные труды Института астрономии РАН, т. 7, Вып. 2. с. 143-148 (год публикации - 2022)
10.51194/INASAN.2022.7.2.008

4. Кузнецов С.Ю., Бусарев В.В. Кузнецов С.Ю., Бусарев В.В. Статистический анализ основных физических и динамических параметров астероидов семейства Фемиды // Научные труды Института астрономии РАН. — 2022. — т.7, Вып. 2. — С. 115-118. Научные труды Института астрономии РАН, т. 7, Вып. 2, с. 115-118 (год публикации - 2022)
10.51194/INASAN.2022.7.2.002

5. Бусарев В. В. Бусарев В. В. Cпектрофотометрия и другие дистанционные методы изучения астероидов: достижения и новые подходы // Астрон. вестн. — 2023. — т. 57, №1 - в печати. Астрономический вестник, т. 57, №1 (год публикации - 2023)

6. Петрова Е. В., Бусарев В. В. Петрова Е. В., Бусарев В. В. О возможностях оценки свойств частиц в экзосфере активного астероида по деталям в УФ- и видимом диапазонах спектров отражения // Астрон. вестн. — 2023. — т. 57, №2. — в печати. Астрономический вестник (год публикации - 2023)

7. Бусарев В.В., Щербина М.П., Кузнецов С.Ю., Иконникова Н.П., Бурлак М.А. Busarev V.V., Shcherbina M.P., Kuznetsov S.Yu., Ikonnikova N.P., Burlak M.A. Only a quarter of newly observed primitive asteroids are active. The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3) 10-14 October 2022, Space Research Inst., Abstracts of The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3), с. 244-246 (год публикации - 2022)

8. Золотарев Р.В., Шустов Б.М. Zolotarev R.V., Shustov B.M. On the mass indices of meteor bodies // The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3) 10-14 October 2022, Space Research Inst., Abstract 13MS3-SB-17, p. 276-277. Abstracts of The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3), с. 276-277 (год публикации - 2022)

9. Кузнецов С.Ю., Бусарев В.В. Kuznetsov S.Y., Busarev V.V. Statistic analysis of dynamic parameters and sizes of asteroids of the Adeona family // The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3) 10-14 October 2022, Space Research Inst., Abstract 13MS3-SB-PS-01, p. 282-283. Abstracts of Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3), с. 282-283 (год публикации - 2022)

10. Петрова Е.В., Бусарев В.В. Petrova E.V., Busarev V.V. Рroperties of particles in the exospheres of active asteroids: estimates based on the spectral features in the uv-visible range // The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3) 10-14 October 2022, Space Research Inst., Abstracts of The Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13MS3), с. 290-292 (год публикации - 2022)

11. Шустов Б. М., Золотарёв Р. В., Бусарев В. В., Щербина М. П. Б. М. Шустов, Р. В. Золотарёв, В. В. Бусарев, М. П. Щербина. Ударные события как возможный механизм активации сублимационно-пылевой активности астероидов главного пояса // Астрономический журнал. — 2022. — Т. 99, № 11 — С. 1058–1071 Астрономический журнал, Т. 99, № 11, С. 1058–1071 (год публикации - 2022)
10.31857/S0004629922110184

12. Савелова А. А., Бусарев В. В., Щербина М. П. Оценка состава вещества астероидов по спектрам отражения с использованием метеоритных аналогов Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия., Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2023. Т. 78(3), 2330801 (7 стр.) (год публикации - 2023)

13. Бусарев В.B., Петрова Е.В., Щербина М.П., Кузнецов С.Ю., Бурлак М.А., Иконникова Н.П., Савелова А.А., Белинский А.А. Поиск признаков сублимационно-пылевой активности астероидов примитивных типов вблизи перигелия Астрономический вестник, том 57, № 5, с. 439–457 (год публикации - 2023)

14. Золотарёв Р.В., Шустов Б.М. Эволюция метеороидных потоков, образующихся при столкновениях с АСЗ Астррономический журнал, T. 100. № 10. С. 879-897 (год публикации - 2023)
10.31857/S0004629923100092

15. Петрова Е.В. Влияние экзосферы активного астероида на поляризацию рассеянного света и возможности оценки ее свойств из наземных измерений Астрономический вестник (год публикации - 2024)

16. Бусарев В.В. Применение многополосной фотометрии для поиска признаков пылевой активности астероидов ДОКЛАДЫ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК ТАДЖИКИСТАНА, т. 66, № 1-2, с. 65-72 (год публикации - 2023)

17. Бусарев В. В., Киселёв Н. Н., Щербина М. П. , Карпов Н. В., Горшков А. П. Поляриметрический мониторинг астероидов примитивных типов вблизи перигелия с целью обнаружения их сублимационно-пылевой активности Астрономический журнал (год публикации - 2024)

18. Бусарев В.В., Петрова Е.В., Пузин В.Б., Барабанов С.И., Щербина М.П., Кузнецов С.Ю. Наблюдаемые спектральные признаки и вероятные механизмы образования оптически тонкой и толстой пылевой экзосферы активных астероидов Астрономический вестник (год публикации - 2024)

19. Бусарев В.B., Петрова Е.В., Щербина М.П., Бурлак М.А., Иконникова Н.П., Максимова М.В. Sublimation-driven dust activity of primitive-type asteroids as a sign of the presence of Н2О ice Solar System Research, v. 58, No. 6, p. 715–731 (год публикации - 2024)
10.1134/S0038094624700503

20. Шустов Б.М., Бусарев В.В. , Петрова Е.В., Щербина М.П., Золотарёв Р.В. Новые взгляды на активность астероидов: наблюдения, модели, прогнозы Успехи физических наук, Выпуск 11, 2024 (год публикации - 2024)
10.3367/UFNr.2024.08.039746

21. Кузнецов С.Ю. Выброс пыли в плазменную оболочку вблизи поверхности активных астероидов Физика космоса : труды 51-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции. — Екатеринбург, Физика космоса : труды 51-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции. — Екатеринбург, 2024, стр. 261-262. (год публикации - 2024)
10.15826/B978-5-7996-3848-1.52

22. Золотарёв Р.В., Шустов Б.М. К динамике метеороидных потоков, образующихся при столкновениях АСЗ Физика космоса : труды 51-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции (год публикации - 2024)
10.15826/B978-5-7996-3848-1.48

23. Щербина М.П. , Ковалёва Д.А., Шустов Б.М. GAIA data release 3: распределение спектральных групп астероидов, сближающихся с Землей Астрономический вестник, том 58, № 3, с. 363–370 (год публикации - 2024)
10.31857/S0320930X24030098

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
- Особенностью нашего подхода к изучению активных астероидов является применение спектрального метода, который показал высокую эффективность в этих исследованиях даже при низком спектральном разрешении. Более того, низкое разрешение является преимуществом спектрофотометрии или популярной широкополосной фотометрической системы UBVRI при обнаружении и изучении наиболее слабых астрономических объектов. Именно такие методы позволили нам впервые получить результаты, представленные ниже. Также важно отметить, что на прямых снимках активного астероида в ГПА, полученных с помощью крупных наземных телескопов в хороших фотометрических условиях, невозможно обнаружить признаки его активности до тех пор, пока размер его комы или хвоста не будет превышать несколько сотен километров, что соответствует 0.014–0.007 угловых секунд. В то же время спектральный метод позволяет обнаружить изменения в спектре отражения астероида, связанные с наличием ПЭ, даже при меньшей протяженности последней, то есть, ниже предела пространственного разрешения. Этим, вероятно, объясняется тот факт, что активность многих из обнаруженных нами астероидов пока не подтверждается прямыми наблюдательными методами (Бусарев В.В.) - На основе изучения UBVRI-данных, полученных с декабря 2022 г. по февраль 2023 г. на телескопе RC600 КГО ГАИШ, и анализа аппроксимированных спектров отражения 65 астероидов Главного пояса, включая 50 объектов примитивных типов, находившихся вблизи перигелия, обнаружена сублимационно-пылевая пылевая активность и наличие пылевой экзосферы у 164 Евы, 360 Карловы и 750 Оскара по отчетливым кратковременным вариациям отражательной способности этих астероидов в полосе U. Похожие спектральные изменения и связанная с ними сублимационно-пылевая активность обнаружены в одну из ночей у астероида 629 Бернардина Х-типа с повышенным значением геометрического альбедо (0.14), что может быть признаком неоднородности состава его вещества и, возможно, наличия локального обнажения водяного льда (Бусарев В.В., Щербина М.П.). Важно подчеркнуть, что практически во всех случаях активность астероидов имела массовый характер, то есть наблюдалась квазиодновременно у нескольких астероидов, что является, вероятно, признаком доступности водяного льда на рассматриваемых телах для внешних факторов (ударные события в Главном поясе астероидов, а также вспышечные и эруптивные события на Солнце). Такой вывод согласуется с более ранним моделированием (Jewitt, Guilbert-Lepoutre, 2012), выполненным в связи с обнаружением водяного льда и органики на астероидах 24 Фемида и 65 Кибела. Это означает, вероятно, что лед на активных астероидах низкотемпературных типов в настоящее время находится в их приповерхностных слоях, но мог быть экскавирован с больших глубин этих тел более сильными ударными событиями на шкале времени порядка 1000 лет (Бусарев В.В.). - Проведены поляриметрические наблюдения 8 АСЗ на 2.6-м телескопе КрАО РАН и 2-м телескопе обсерватории "Пик Терскол". По результатам полной обработки этих данных обнаружена экстремально высокая линейная поляризация АСЗ 25330 (более 35% на фазовых углах около 80 град.), что согласуется с результатами более ранних модельных расчетов (Петрова, 2024) и свидетельствует, вероятно, о наличии у астероида разреженной пылевой экзосферы (Киселев Н.Н., Щербина М.П.). - С помощью комплекса программ на основе пакетов NEOMOD и REBOUND произведено моделирование популяции АСЗ, включающей тела размером более 10 м и расчёт динамики данной популяции с выявлением входов тел в околоземное космическое пространство (ОКП) (под ОКП понимается пространство внутри сферы 0.01 а.е. вокруг Земли). Данный расчёт позволил уточнить темп сближений АСЗ с Землёй. В результате вычислений получена оценка частоты входов астероидов декаметрового класса в ОКП, она составляет примерно 1000 входов в год. При этом в ОКП в каждый момент времени находится в среднем около четырех АСЗ. Изучено распределение входов АСЗ в ОКП по направлениям и скорости. Выявлены неоднородности в этом распределении, увеличенная концентрация вблизи направлений на Солнце и против Солнца, а также уменьшенная плотность вблизи апекса Земли, что может быть объяснено распределением АСЗ по элементам орбит. Показано, что до половины объектов могут приходить со стороны дневной полусферы. Скорости сближения АСЗ с Землей на расстоянии 0.01 а.е. в подавляющем большинстве сближений не превышают 30 км/с. Распределение имеет максимум вблизи 7.5 км/с. При этом величина скорости сближения меньше в направлениях апекса и антиапекса Земли, что соответствует движению Земли по орбите вблизи плоскости эклиптики (Шустов Б.М., Золотарёв Р.В.).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в проекте результаты создают практическую возможность поиска (дистанционным спектральным методом в коротковолновом видимом и ультрафиолетовом диапазонах) водяного льда в поверхностных слоях астероидов, включая астероиды, сближающиеся с Землей. Как известно, вода является одним из важнейших ресурсных материалов для жизнеобеспечения и как источник компонентов ракетного топлива (водорода и кислорода).