Исследователи космоса

Друзья, это лично для меня несколько неожиданное явление. Узнал о нем от своего друга в соцсети ФБ — Star Estrella — спасибо ему огромное. Так бы мы всё пропустили. А событие нерядовое и очень интересное — для обсуждения, в первую очередь.

Впрочем, на то, что кто-то из нас что-то сможет увидеть, вероятность крайне невысокая. Но это не умаляет интересности самого разговора.

Обо всём по порядку

Малые планеты — астероиды — полноправные участники Солнечной системы. Они столь же стары, как и большинство других её жителей — больших планет, их спутников и комет. Когда-то считалось, что они образовались при разрушении мифической планеты Фаэтон — во всяком случае такая гипотеза высказывалась. Потом выяснилось, что всей совокупной массы уже открытых и еще неоткрытых (её наука тоже может довольно точно оценить) астероидов не хватит и на малую часть Луны. По современным оценкам вся масса астероидного и метеороидного материала в Главном Поясе Астероидов не превышает 4% массы Луны или 0,05% массы Земли — хороший Фаэтон из этого не слепишь. И деться куда-то — пропасть бесследно, сбежать из Солнечной системы — это вещество тоже никак не могло. Получается, что мы имеем ровно то, что имеем — несколько более-менее крупных сфероидальной формы тел, таких как Церера, Паллада, Веста и Гигея… а остальное в основном представляет из себя россыпь космических булыжников от пары сотен километров в поперечнике и до километров, метров, сантиметров… подавляющее большинство из них так малы, что ни в какой телескоп их облик не разглядеть, размеры не определить.

К счастью, Вселенная иногда преподносит нам сюрпризы, а астрономы — крайне изобретательные люди — стараются всякое стечение обстоятельств использовать во благо науки.

Что ученым помогает изучать астероиды?

То обстоятельство, что иногда астероиды заслоняют собой звезды.

Да — такое случается. Не сказать, что редко. Звезд на небе много. Астероиды как-будто движутся среди них — во всяком случае, с Земли так видно. На самом деле астероиды гораздо ближе — расстояние до них чаще всего нечто среднее между расстоянием до Марса и до Юпитера — именно орбитами этих планет и ограничен Главный Пояс Астероидов.

(Кто-то, наверное, обратил внимание, что — раз есть Главный, то должен быть какой-то еще — не главный — пояс астероидов. А как мы знаем, на одного Главного приходится чаще всего несколько не главных — среди людей именно так. У астероидов примерно так же — есть еще пояс Койпера, Троянцы, Греки, Аполлоны, Амуры… Мир астероидов очень интересен и разнообразен… но давайте уж об остальных как-нибудь потом…)

Если астероиды и закрывают собой звёзды, то чаще всего это такая слабая звезда, которую не во всякий телескоп увидишь (как и астероид — не во всякий телескоп увидишь — обычно они очень слабые). Но все же астрономы не упускают шанса что-то из такого события почерпнуть.

А что можно почерпнуть?

Прежде всего убедиться, что расчеты предстоящего покрытия выполнены верно. Это только так кажется, что наука способна в точности предвычислять движения небесных светил. В той или иной степени это верно для Больших планет. Но чем меньше небесное тело, тем менее стабильна его орбита — более массивные тела так и норовят её изменить, а астероид маленький, ему приходится подчиняться. И не всегда это можно учесть, ведь массу всякого астероида мы скорее всего не знаем.

Вот, представьте, Вы смотрите в телескоп на слабенькую звездочку, и ничего кроме неё в поле зрения нет. И вдруг звезда на долю секунды погасла, и зажглась вновь?

Что это означает?

Это означает, что вы счастливчик — Вам удалось волей случая попасть в полосу покрытия, которая на нашем глобусе имеет ширину всего-то пару-тройку километров — и это хорошо, если так много, а то бывает и меньше (если размер астероида меньше, а таких как раз и большинство). Представляете, все вокруг ничего такого не увидели — из их локаций звезда как светила, так и светит — не мигает. А астероид вообще такой слабый, что в ваш телескоп не виден, и в их телескоп не виден… и только ваше свидетельство о том, что свет звезды был на долю секунды экранирован неким небесным телом, говорит в пользу его существования.

Тут надо упомянуть, что для подобных наблюдений астрономы нередко предпринимают специальные экспедиции, ведь не факт, что полоса покрытия захватит какую-либо из обсерваторий с большим и зорким инструментом — приходится ехать на место с телескопом поменьше, который посильно утащить с собой.

И смотрите, вы даже ничего не измеряли, не засекали, а просто стали свидетелем покрытия, но знаете географические координаты точки наблюдений — это сейчас любой телефон по GPS определяет, и Вы уже сильно помогли уточнить орбиту маленькой космической каменюки.

И даже, если вы ничего такого не увидели, Вы тоже помогли уточнить её орбиту, тем свидетельством, что в вашей локации покрытие не наблюдалось, а значит его полоса прошла мимо — это тоже важно.

Это важно настолько, что учитывается для прогнозов столкновения астероидов с Землей. И когда у ученых недостаточно данных, они обращаются за данными к любителям, благо, любительская сеть сейчас очень обширна и активна.

А дальше можно попробовать засечь время, на которое угасла звезда.

Это прямой путь к определению размера астероида. Значительная часть оценок физических размеров малых планет делалась именно по результатам наблюдения покрытий. Характерная орбитальная скорость астероида 15-20 км/секунду. И если поперечник астероида 1 км, то покрытие будет длится около 1/20 секунды — трудно такое измерить на глазок. Поэтому астрономы и любители используют электронику. В частности, очень полезны видеосенсоры захватывающие большое количество кадров в секунду. Но если продолжительность покрытия удалось измерить, дальше математика простая. Умножаем орбитальную скорость на продолжительность покрытия и получаем длину той части астероида, которой он закрывал звезду. запросто может оказаться, что в вашей локации астероид лишь краем звёздочку задел. А где-то — прямо по максимуму — произошло центральное затмение.

Как можно догадаться, тут одного наблюдения мало — надо иметь данные из разных точек полосы покрытия. И только тогда мы узнаем более-менее правдоподобный размер. А в случае с одним наблюдением нам придется иметь дело с оценкой минимального размера. То есть, если астероид, имеющий орбитальную скорость 20 километров в секунду, затмил звезду на 1 секунду, его размер не менее 20 километров. Но может быть и больше — даже в 10 раз. Ведь мы не знаем, каким именно краем он затмевал звезду в конкретной локации, если других наблюдений нет. Фактически, в таком случае измеряется лишь протяженность этого края.

Может быть кто-то из внимательных читателей вспомнил о том, что знать орбитальную скорость астероида для данной задачи недостаточно, ведь Земля тоже не стоит на месте — она движется по орбите, да еще и вращается вокруг оси (и на разных широтах линейная скорость осевого вращения Земли различная, но все же влияющая на результат), да еще и орбиты Земли и астероида не лежат в одной плоскости…

Ах, да, еще и звезда движется куда-то!

Как все это учесть?

Хорошая новость в том, что чаще всего движением звезды можно пренебречь. В пространстве звезда может быть очень быстрой. Но она далеко. И угловая скорость её движения ничтожна в сравнении с угловой скоростью астероида.

Но остальное придется иметь в виду.

Людям со школьным отношением к геометрии такую задачу не решить. Тут требуется свободное владение стереометрией и сферической геометрией — это в школе не проходят. Для упрощения понимания скажу, что фактически нужна лишь относительная тангенциальная скорость астероида, а не полная её величина в гелиоцентрической системе отсчета. Это та скорость, с которой астероид движется поперек луча зрения наблюдателя, и относительно самого наблюдателя. И надо признать, что в этих расчетах мы сами того не желая ниспадаем до птолемеевой геоцентрики. Но, что же делать…

А что если вдруг окажется, что звезда мигнула не один, а два раза?

Это означает, что у нашего дорого астероида, внезапно обнаружился спутник.

Сейчас у многих астероидов обнаружены спутники, и у некоторых даже более одного спутника. А открыты некоторые спутники у астероидов были именно транзитным образом — это когда астероид проходит перед звездой.

Это, конечно, совсем не новость. И примерно так были в своё время открыты кольца планеты Уран — Уран затмевал собой звезду, но при наблюдении обнаружилось, что звезда незначительно несколько раз приугасла до покрытия и вскоре после него. А через несколько лет автоматическая межпланетная станция “Вояджер-2” такое объяснение поведения фотометрии звезды лишь подтвердила.

А еще тем же самым образом были обнаружены кольца вокруг астероида Харикло (10199). Оказывается у астероидов тоже могут быть кольца. Но когда-то и в существование спутников у астероидов никто не верил. А поверить в то и другое заставили результаты покрытий звёзд астероидами.

Правда, Харикло обращается вокруг Солнца не в Главном Поясе Астероидов, а вне всяких поясов — между орбитами Сатурна и Урана. Это так называемый “Кентавр” — есть такая классификация среди малых тел Солнечной системы. Он довольно крупный — 260 километров. Но он всегда очень далеко от нас — за орбитой Сатурна эти 260 километров никак не рассмотреть, а уж какие-то еще кольца заметить — это было бы невозможно. Но помогло то самое стечение обстоятельство — покрытие звезды 12-й звездной величины астероидом 19-й звездной величины. Для этих наблюдений было задействовано более 30 наблюдательных станций в Южной Америке (в Аргентине, Чили, Бразилии и Уругвае). В исследовании участвовали представители 12 стран и более 30 научных организаций. Казалось бы, всего-то какой-то астероид прикроет собой едва заметную звездочку, и такая честь всему этому!

Но надо учесть и везение — в полосу покрытия совершенно волшебным образом попала знаменитая обсерватория ESO La Silla. И вот вам результат: Открытые колец у астероида.

А сейчас и у некоторых других астероидов тоже подозреваются кольца. А метод все тот же — наблюдение покрытий звезд астероидами.

Что еще?

А если в процессе сравнения разных наблюдений внутри полосы покрытия наблюдается некоторая несогласованность данных по продолжительности явления? Конечно, могут быть и ошибки в измерениях. Астрономы — тоже люди, и могут ошибаться. Именно поэтому все измерения и наблюдения чаще всего дублируются и тщательно перепроверяются. Это же все-таки наука, а не гадание на кофейной гуще. И если за свои данные ученые берутся отвечать, они же берутся и объяснить, почему вдруг в них закралась та или иная несогласованность, ищут способы её объяснить.

Например: в середине ширины полосы покрытия, но, допустим, в ее начале наблюдалась одна продолжительность покрытия, а в другой части полосы — ближе к концу — заметно отличающаяся от первой продолжительность того же самого покрытия. Вряд ли астероид резко замедлил ход, или звезда на небосводе вдруг сместилась. Скорее всего, астероид достаточно быстро вращается вокруг оси, и во втором случае закрывал звезду уже большим или меньшим своим поперечником. такое тоже бывает. И наблюдение покрытий дают данные и для уточнения ротационного поведения астероида.

(Впрочем, для выявления и изучения вращения астероидов существует еще немало альтернативных методов. Необязательно для этого дожидаться покрытий. Полезные данные дают фотометрия (это когда астероид периодически меняет блеск, словно переменная звёздочка — измерение поляризации пусть относится сюда же), спектроскопия (спектр объекта в астрономии вообще как его паспорт, или личное дело - расскажет об изучаемом объекте больше, чем что-либо еще) и радиолокация.)

Ну, и уж совсем неожиданная сторона наблюдений покрытий открывает астрономам возможность изучения релятивистских эффектов в движении небесных тел Солнечной системы.

Если кто-то помнит, что вековое смещение перигелия Меркурия (самой быстрой и близкой к Солнцу планеты) удалось объяснить лишь в начале XX столетия используя Общую Теорию Относительности Альберта Эйнштейна. Но похожие эффекты наблюдаются и у некоторых астероидов, которые по своим вытянутым орбитам ныряют в окрестности Солнца глубже орбиты Венеры и даже Меркурия. В частности, астероид Фаэтон (опять этот Фаэтон!... к счастью, “это другое”) — потенциально опасный, сближающийся с Землей небесный объект, являющийся чем-то средним между астероидом и кометой, тоже демонстрирует релятивистские эффекты в эволюции собственной орбиты. А нам — людям Земли — категорически важно понимать то, что происходит с орбитами представляющих опасность каменных глыб. Фаэтон, кстати, весьма внушительная глыба — 6 километров в поперечники. Когда-то динозаврам вполне хватило такой глыбы, а нам следует быть предусмотрительными по отношению ко всему подобному. И отслеживать эволюцию орбиты Фаэтона (а также подобных ему Аполлонов, Атонов и Атиров — это все классификации выпадающих из Главного Пояса астероидов) в значительной степени помогают покрытия звезд, попутно давая пищу для исследования релятивистских эффектов в Солнечной системе.

Ну, а теперь переведем свой взор на виновника сегодняшнего торжества:

Астероид №319 Leona

Эта малая планета открыта в 1891 году французским астрономом Огюстом Шарлуа, и название получил от него же. Никто сейчас не может точно сказать, в честь кого астероид получил своё имя. Но, можно предположить, что это была женщина.

Леона необычна тем, что обращается вокруг Солнца в устойчивом резонансе с Юпитером — делает ровно 7 оборотов за 4 юпитерианских года. 4/7 это один из распространенных орбитальных резонансов. И существует целое семейство малых планет, орбиты которых сосредоточены на самой дальней кромке Главного Пояса Астероидов (большие полуоси их орбит имеют значения от 3,3 до 3,7 астрономических единиц). Оно называется Семейство Кибелы. Астероид Кибела является самым крупным объектом данного семейства — 240 км в поперечнике. А Леона — ну так себе камешек — 50 x 80 км — он даже совсем не круглый…

Но как вообще удалось измерить эту Леону?

Известно, как — она уже покрывала собой звезду. Правда, довольно слабую. Тогда в исследованиях преуспела команда испанских астрономов. Но и помимо этого астероид активно изучался.

Что еще о Леоне известно?

Это очень темное каменное небесное тело, буровато-красного оттенка, отражающее около 2% солнечного света — это просто как кусок бурого угля, и кажется удивительным, что между орбитами Юпитера и Марса удается обнаружить нечто подобное. Спектральный анализ указывает на то, что тело состоит из силикатов и соединений углерода, возможно даже органических (это во Вселенной не редкость). Не исключено присутствие водяного льда — где-то внутри объекта, и может быть даже именно лед скрепляют собой фрагменты объекта, если он образовался из нескольких меньших тел посредством смерзания — замерзшая вода даже в космосе довольно пластична.

Леона вращается вокруг своей оси, правда, крайне медленно — один оборот за 430 часов. Один день на Леоне длится 18 земных суток. Только не путайте это с релятивистским замедлением времени. Просто Леона — один из самых медленных ротаторов среди астероидов. Но вместе с этим Леона очень сильно прецессирует, как-будто кувыркается по еще одной оси вращения, но уже с периодом около 1100 часов. Это сложное вращение трудно объяснить. И не исключено, что Леона не одинока в своем орбитальном путешествии — возможно, что у неё тоже есть спутник, хоть она и несколько мала для этого.

Сила тяжести на Леоне пренебрежимо мала - она в 500 раз слабее Земного притяжения. Чтобы навсегда покинуть этот астероид, астронавту достаточно развить скорость Усейна Болта на 100-метровке. В скафандре сделать такое своими силами будет очень затруднительно, но реактивный ранец точно справится.

Ну, а один оборот вокруг Солнца Леона совершает за 6,28 земного года. Она всегда очень слаба — видимая звездная величина не превышает 13m. Сейчас она и того слабее: 14,2m.

И вот эта космическая глыба покусилась закрыть собой одну из ярчайших звезд неба, а именно — звезду Бетельгейзе — альфу Ориона, и самую вероятную сверхновую ближайшего будущего.

Конечно, Бетельгейзе о такой дерзости никогда не узнает, и уж точно не взорвется раньше времени из-за такого стечения обстоятельств. Но у астрономов внезапно появился шанс одним махом исследовать и то, и другое — и далекий малоизученный астероид, и одну из самых интересных звезд нашей Галактики.

До этого момента мы говорили лишь о том, как покрытия звезд астероидами помогают исследовать астероиды. Но тогда речь шла исключительно о покрытии слабых звёзд.

Когда речь заходит о ярких звездах, всё кардинально меняется.

Если звезда яркая, вероятно она либо близкая, либо довольно большая в размерах. А с чего еще ей быть яркой?

Бетельгейзе не самая близкая звезда, но всё-таки и не очень далекая — 550 световых лет, это в галактических масштабах прямо совсем рядом — это сравнимо с размерами так называемого Местного Пузыря — нашей звездной обители, в которой мы безбедно существуем, чувствуя себя как-будто защищенными от всяких космических напастей типа черных дыр, нейтронных звёзд, туманных остатков сверхновых или их самих. Поэтому не будет преувеличением обозначить Бетельгейзе как одну из звезд нашего близкого окружения.

И вне всякого сомнения, Бетельгейзе — очень и очень большая звезда. По диаметру Бетельгейзе превосходит Солнце почти в 1000 раз. Будь оно вместо Солнца, не поздоровилось бы всем, по Сатурн включительно. Думаю, что и Урану с Нептуном такая замена совсем не понравилась бы.

И даже с расстояния в 550 световых лет Бетельгейзе видна в сильные телескопы не так точка (строго говоря, в телескопы далекие звезды обычно видны как маленькие дифракционные диски, лишенные хоть каких-то подробностей), а как вполне заметный кругляшок. В самые сильные телескопы-интерферометры на поверхности Бетельгейзе выявляются неоднородности, интерпретируемые как гигантские пятна, аналогичные солнечным, только Бетельгейзного масштаба — если в солнечном пятне запросто может утонуть десяток Земель, то в темных пятнах фотосферы Бетельгейзе могут утонуть сотни звезд, соразмерных с Солнцем.

Только представьте, как хотелось бы астрономам взглянуть на этот ужасающий огненный океан с более близкого расстояния… ну или хотя бы найти какой-то способ рассмотреть это в лучшей детализации.

И вот, оказия!

Совершенно удивительное стечение обстоятельств. Впрочем, заранее предвычисленное.

Я упоминал о том, что покрытие звезд астероидами вполне обыденно. Но опять-таки — это касалось лишь слабых звезд. Покрытие ярких — крайне редкостное астрономическое событие. Я даже не припомню, чтобы когда-либо за все время изучения астероидов случалось покрытие столь яркой звезды. Википедия утверждает, что подобного до сих пор не бывало. И самая яркая из покрытых астероидами звезд (за эпоху изучения астероидов) была Эта Змееносца (2,4 звездной величины). Но Бетельгейзе — одна из ярчайших звёзд неба — в максимуме блеска достигает нулевой звездной величины (это переменная звезда неправильного типа).

Говоря кратко, мы становимся свидетелями крайне редкого и крайне важного для астрономии события.

Расчеты показывают, что скорее всего маленькая Леона не сможет закрыть Бетельгейзе полностью. И хотя предполагаемое время затмения составляет около 15 секунд, угловой размер астероида и звезды будет примерно одинаков.

Бетельгейзе имеет средний угловой размер 40 угловых миллисекунд. Это для многих людей непонятная величина. Но представьте весь охват горизонта вокруг вас — это 360 градусов. Один градус уже не кажется большой величиной. Но астрономы его делят на 60 долек и получают одну угловую минуту. Её тоже можно разделить. И 1/60 доля угловой минуты являет собой угловую секунду — совсем маленькая долька не видимая (не различимая) глазом и даже в любительский телескоп. Бетельгейзе в 25 раз меньше. Но тем не менее астрономы что-то там пытаются рассмотреть. У них иногда даже получается.

Угловой размер астероида Леона в момент покрытия предположительно будет составлять что около 41x46 угловых миллисекунд. Буквально заподлицо с Бетельгейзе.

В момент полного затмения от Бетельгейзе останется видимой только её внешняя атмосфера, или иными словами — Корона Бетельгейзе.

Никогда ранее ученым не выпадала возможность наблюдать полное затмение столь интересной звезды так, чтобы при этом оставалась видимой её корона.

Но и это еще не все.

Надвигаясь на диск Бетельгейзе, Леона будет поочередно заслонять, а потом в той же последовательности открывать все поверхностные неоднородности звезды, позволяя изучить их дискретно. Это, конечно, будет длиться секунды. Но астрономам не привыкать к кратковременным явлениям. Очень многие события во Вселенной длятся лишь секунды или же доли секунды. И можно надеяться, что у ученых есть технологии, которые позволяют детально записать всю динамику изменения яркости Бетельгейзе при покрытии, сфотографировать отдельно спектр короны и протуберанцев, если таковые у Бетельгейзе есть. Да и в целом, появится возможность понять, что там с этой звездой происходит, и как скоро можно ждать от неё финального коллапса, за которым последует взрыв сверхновой. И в этом свете предстоящее покрытие начинает казаться очень пророческим.

Где пройдет полоса видимости покрытия?

Она стартует в восточном Китае, пересекает Среднюю Азию (Таджикистан, Туркменистан), Закавказье (Азербайджан, Армению, Турцию), выходит в Средиземное море, пересекает Грецию, Италию, южную оконечность Испании и Португалии, уходит в Атлантику, и на излете достигает южной оконечности Флориды, и обрывается в Мексике.

Конечно, это все очень приблизительные ориентиры. Но астрономы знают более точные координаты, где необходимо оказаться, для проведения успешных наблюдений. Вы тоже можете узнать — видно ли покрытие звезды Бетельгейзе астероидом Леона в вашей локации — используя программу Stellarium. Она же подскажет время явления.

Для грубой ориентации во времени сообщу, что в целом на планете явление продлится с 01:09 до 01:27 по всемирному Времени в ночь с 11 на 12 декабря 2023 года.

Быть может кто-то не увидит этого удивительного и интересного астрономического явления. Я думаю, что большинство из читающих не смогут это наблюдать. Но хотя бы просто знать, в какое интересно время мы живем, ознакомиться с результатами исследований, которые вскоре, я надеюсь, будут опубликованы в различных научных изданиях, уже только это много стоит. И я уверен, в ближайшее время мы узнаем много неожиданного как о малой планете Леона, так и об одной из самых интересных звезд видимых глазом даже в городе — о Бетельгейзе.