Как известно, Луна по меркам Земли — огромный естественный спутник. Из всех других планет земной группы только у Марса есть два крошечных спутника Фобос и Деймос, и это обычные астероиды, подхваченные Марсом. Однако в окрестностях Земли с условным радиусом 200 миллионов километров (1,3 астрономические единицы, а.е.) находится перигелий множества околоземных объектов — астероидов и глыб — которые могут входить с Землёй в орбитальный резонанс и на сотни лет превращаться в естественные спутники нашей планеты. Целенаправленный поиск таких объектов ведётся с середины XIX века, многие «находки» оказывались сомнительными или мнимыми. Но два квазиспутника Земли заслуживают более подробного описания. Это Круитни и Камоалева, о которых пойдёт речь под катом.
На Хабре есть интересный блог уважаемого пользователя @AstroTubo , в котором автор пишет об околоземных кометах и астероидах. В частности, 30 августа 2023 года он разместил статью «Астероид Камоалева — квазиспутник Земли», а 25 декабря 2023 года — «Астероид Круитни: квазиспутник Земли и эволюция его орбиты». К сожалению, при всей интересности и грамотности обе эти публикации очень невелики и представляют собой развёрнутые комментарии к размещённым в них же видеороликам с YouTube.
Я же узнал о Круитни ещё около 2015 года, когда вёл Живой Журнал, и на его страницах мне довелось общаться с 3753_cruithne — девушкой из Бреста, которая на тот момент казалась мне удивительно вдумчивой, глубокой и недооценённой представительницей своего поколения. Не представляю, как сложилась её жизнь, однако без упоминания её и её никнейма эта статья была бы неполной.
Предыстория
С тех пор, как в 1801 году Джузеппе Пиацци открыл Цереру, не прекращались поиски малых небесных тел, что в итоге позволило нанести на карту Солнечной системы целый пояс астероидов и убедиться, что в районе Земли таких небесных тел очень мало. Тем не менее, уже в XIX веке поступали заявления об открытии новых естественных спутников Земли. На фоне многочисленных мистификаций отдельно остановлюсь на двух.
О существовании гипотетического спутника объявил в 1846 году Фредерик Пети, директор Тулузской обсерватории. Как и много позже поступали другие учёные в период поисков девятой планеты, гипотетически расположенной за орбитой Плутона, Пети не наблюдал этот «спутник» в телескоп, но пытался вычислить по гравитационному воздействию на Землю. В июльском номере журнала «Galaxy» за 1957 год описано, как современники откровенно потешались над его изысканиями: размер «спутника» мог исчисляться метрами, а то и футами, и его иронически называли «Kleinchen» (в переводе с немецкого — «малыш»). При этом также намекали на самого Пети, фамилия которого (Petit) по‑французски также означает «маленький». Пети предполагал, что второй спутник движется по эллиптической орбите, период обращения вокруг Земли — примерно 2 часа 44 минуты, причём её апогей (наиболее удалённая точка) располагается в 3 570 км от Земли, а перигей (самая близкая точка) — примерно в 12 километрах, то есть на той высоте, где летают современные самолёты. Несмотря на то, что уже современники указывали Пети на полную нереалистичность его спутника, последнюю работу о нём автор опубликовал в 1861 году.
Значительно более серьёзные выкладки предложил в 1898 году гамбургский астроном Георг Вальтемат. В 1896 году он объявил, что обнаружил вокруг Земли целую группу крошечных спутников, которые измеримо влияют на орбиту Луны. Он считал, что эти тела достаточно мелкие и тёмные, поэтому их не удаётся засечь в телескоп, однако можно поймать в период прохождения по солнечному диску (мини‑затмений), а также уловить воздействие такого тела, если оно подойдёт особенно близко к Луне. Так, для одного из таких спутников Вальтемат рассчитал, что его орбита пролегает на расстоянии около 1 030 000 километров от Земли, диаметр небесного тела составляет 700 километров, орбитальный период — 119 дней, а синодический период — 177 дней.
Некоторые другие «мнимые спутники» такого рода описаны в этом обзорном материале. Поиск неизвестных естественных спутников Земли также актуализировался в конце 1940-х — начале 1950-х, когда прорабатывались безопасные орбиты для запуска искусственных спутников. Полноценной «второй Луны» у Земли так и не нашлось, но было обнаружено несколько околоземных объектов (астероидов), которые находятся с Землёй в орбитальном резонансе. Можно сказать, что такие объекты обращаются вокруг Солнца по орбитам, во многом дублирующим земную, и иногда становятся не «спутниками», а «попутчиками» Земли.
В начале XXI века с повышением разрешающей способности космических телескопов было открыто несколько таких объектов, которые часто именуются «квазиспутниками».
Отличия между квазиспутниками и Луной
Квазиспутник описывает вокруг светила практически такую же орбиту, что и планета, но эксцентриситет у этих орбит отличается (как правило, у квазиспутника — больше). При наблюдении с планеты должно казаться, как будто квазиспутник движется по ретроградной орбите, описывающей длинную петлю.
Орбиты квазиспутников, в отличие от орбит настоящих спутников, не относятся к сфере Хилла своей планеты. Сфера Хилла — это пространство вокруг астрономического объекта (например планеты) в котором он способен удерживать свой спутник несмотря на притяжение объекта, вокруг которого обращается сам (например звезды). Со временем квазиспутник окончательно покидает окрестности планеты. Если орбитальный резонанс между планетой и квазиспутником равен 1:1, то спутник движется по экзотической подковообразной или головастиковой орбите. Головастиковые орбиты характерны для некоторых астероидов, называемых «прыгающими троянцами». Большая часть головастиковой орбиты располагается на значительном удалении от планеты, поэтому спутником такой астероид можно считать лишь формально. Вот как выглядит подковообразная орбита:
А вот как выглядит головастиковая:
Объекты, расположенные на подковообразных орбитах, иногда ненадолго становятся полноценными квазиспутниками. В окрестностях Земли одним из известных тел такого рода является астероид 2002 AA29, открытый 9 января 2002 года и имеющий размер до 120 метров. В настоящее время его орбита почти полностью совпадает с земной:
Одну из наиболее стабильных подковообразных орбит в районе Земли занимает малая планета Круитни. Рассмотрим её подробнее.
Круитни
Официальной датой открытия астероида 3753 Cruithne считается 10 октября 1986 года, когда его обнаружил Д. Уолдрон, работавший в австралийской обсерватории Сайдинг-Спринг совместно с Мак-Нофтом, Хартли и Хокинсом. Позже удалось уточнить, что тремя годами ранее этот же астероид наблюдали в Чили Г. де Санктис и Р. Уэст.
Вот как располагаются относительно Солнца орбиты Земли и Круитни:
Диаметр Круитни составляет около 5 километров, а при максимальном сближении Земля и Круитни оказываются на расстоянии примерно 12 миллионов километров (0,08 а.е., где 1 а.е. = расстояние от Земли до Солнца). Таким образом, Круитни в перигее отстоит от Земли примерно в 30 раз дальше, чем Луна. В период с 1994 по 2015 год Круитни обращалась вокруг Земли по практически стабильной орбите, два тела максимально сближались в ноябре.
Хотя считается, что в долгосрочной перспективе Круитни соскользнёт с нынешней орбиты, расчёты Пола Вигерта и Каймо Иннанена из университета Торонто показывают, что она надолго синхронизировалась с Землёй. Столкновение Земли с Круитни практически исключено. Орбиты Земли и Круитни не пересекаются, а эклиптика Круитни в настоящее время находится под уклоном 19,8° к земной. В момент максимального приближения Круитни к Земле её звёздная величина составляет +15.8. То есть она тусклее Плутона и, чтобы её наблюдать, понадобится как минимум 320-миллиметровый телескоп-рефлектор.
Круитни обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, и год на астероиде равен около 364 дней. Именно поэтому Земля и Круитни следуют вокруг Солнца практически вровень, хотя Круитни и не обращается вокруг Земли. Поэтому она и считается квазиспутником. Круитни время от времени сильно отдаляется от Земли, но всегда возвращается. Так, в 2058 году Круитни пройдёт в 13,6 миллионах километров от Марса.
Поскольку у орбиты Круитни сильный эксцентриситет, расстояние до Солнца и скорость этого астероида сильно отличаются в разных точках орбиты. При наблюдении с Земли орбита Круитни более напоминает боб или почку:
Поскольку год на Круитни более чем на сутки короче, чем на Земле, Земля каждый год немного запаздывает за Круитни, поэтому орбита квазиспутника образует не замкнутый контур, а последовательность из перекрывающихся контуров, напоминающих постепенно отдаляющуюся от Земли спираль:
Подковообразные орбиты встречаются нечасто, но даже в Солнечной системе они известны: например, по таким орбитам движутся спутники Сатурна Янус и Эпиметей. Уникальность орбиты Круитни заключается в том, что при движении спутник сильно забирает в стороны, временами приближаясь то к Марсу, то к Венере. Поэтому на полный оборот вокруг Земли у Круитни уходит около 800 лет, и именно в начале XXI века она была ближе всего к нашей планете в этом цикле.
Пока нам ничего неизвестно ни о рельефе, ни о минералогии Круитни, однако, если её диаметр составляет около 5 километров, то она вполне сравнима по размеру с ядром кометы Чурюмова-Герасименко, достигающим длины 4100 метров. Спускаемый аппарат Филы, прикреплявшийся к комете Чурюмова-Герасименко, был снабжён специальными гарпунами на тросах, так как гравитация на столь малом небесном теле пренебрежимая, и незакреплённый аппарат с кометы бы просто упал. Такая же технология могла бы использоваться и для посадки на Круитни, и на другие мелкие астероиды диаметром до нескольких километров. Времени для планирования экспедиции на Круитни у нас более чем достаточно. В настоящее время наши с Круитни курсы пролегают достаточно близко и постепенно расходятся. Следующий момент максимального сближения ожидается примерно через 2750 лет.
Камо’оалева
27 апреля 2016 года в гавайской обсерватории Халеакала был открыт объект, сначала получивший кодовое обозначение 2016 HO3, но затем переименованный в 469 219 Камо'оалева. Этот астероид имеет в длину от 40 до 100 метров, но привлёк пристальное внимание астрономов, так как постепенно вышел на ещё более стабильную орбиту, чем Круитни. Ключевую часть работы по изучению Камо'оалева проделал Пол Чодас из ЛРД (Лаборатории реактивного движения) в составе NASA, Пасадена, штат Калифорния. В 2022 году околосолнечная орбита Камо'оалева выровнялась на расстоянии 0,9–1,1 а.е. (орбита Земли пролегает на расстоянии 1 а.е. от Солнца). Период обращения Камо'оалева вокруг Солнца (год) в 2022 году составил 366 дней, но, вероятно, постепенно приблизится к 365 дням. Земля и Камо'оалева продержатся на таких синхронных орбитах сотни лет. Тем не менее, орбита Камо'оалева находится под углом 8° к эклиптике, а минимальное расстояние между Землёй и Камо'оалева составляет 4,9 млн. км, что в 13 раз больше, чем расстояние от Земли до Луны.
Пол Чодас указывает, что Камо'оалева занимает удивительную орбиту, фактически превратившись одновременно в естественный спутник Солнца и естественный спутник Земли. Большую часть времени в году Камо'оалева проводит ближе к Солнцу, чем к Земле (то есть его орбита пролегает внутри земной), но всё равно подходит к Земле настолько близко, что она не даёт ему улететь за пределы земной орбиты, оставляя его словно «на привязи». Земной гравитации оказывается как раз достаточно, чтобы Камо'оалева в обозримом будущем не могла отойти от нас более чем в 100 раз дальше, чем Луна. Следовательно, Камо'оалева более напоминает второй естественный спутник Земли, чем квазиспутник Круитни.
Физические свойства и возможное происхождение Камо’оалева
Притом, насколько необычна Камо’оалева с точки зрения небесной механики, происхождение астероида кажется одновременно и удивительным, и заурядным. Как я указывал выше в этой статье, в притяжение больших планет то и дело попадают астероиды, превращающиеся в их естественные спутники. Таковы, в частности, Фобос и Деймос. Они, как и многие спутники Юпитера, ранее принадлежали к рою троянских астероидов, этот класс небесных тел хорошо каталогизирован. Но Камо’оалева значительно тусклее троянцев, это хорошо заметно в тех инфракрасных частотах, в которых отражают астероиды. Соответственно, она состоит из другого вещества и имеет иное происхождение.
В 2021 году этой аномалией заинтересовался Бенджамин Шаркли, аспирант из университета штата Аризона. Совместно со своим научным руководителем Вишну Редди и несколькими соавторами он проанализировал вероятный состав астероида при помощи спектрометрии и обнаружил, что данные о таком составе уже где-то ему встречались. Как оказалось, Камо’оалева действительно в точности совпадает по составу с образцами лунного реголита, доставленного на Землю в 1971 году экспедицией «Аполлон-14». Более того, подтвердился не только силикатный состав, но и специфические следы «выветривания», процесса, при котором реголит превращается в пыль. Выветривание реголита происходит под действием различных космических лучей, солнечного ветра и микрометеоритов.
Таким образом, Шаркли пришёл к выводу, что Камо’оалева является осколком луны и наиболее напоминает по составу крупный метеорит. Статья с соответствующими выкладками была опубликована в журнале «Nature» в 2021 году.
Интересен сам прецедент, что некоторые метеориты могут не упасть на Землю, а выйти на практически стабильную околоземную орбиту. Но изучение Камо’оалева в Аризонском университете продолжилось, и в октябре 2023 года Рену Малхотра, профессор планетологии из того же университета, опубликовала статью с описанием компьютерной симуляции, демонстрирующей вероятный сценарий возникновения Камо’оалева. Вероятно, Камо’оалева была выщерблена из одного из лунных импактных кратеров. В этом и заключается её уникальность: осколок был выброшен с достаточной силой, чтобы развить вторую лунную скорость (не остаться на лунной орбите), но при этом скорости не хватило, чтобы улететь в космос или упасть на Землю.
Хосе Даниэль Кастро-Киснерос, аспирант из университета Сан-Диего указывает, что другой причудливый аспект Камо’оалева — её долговечность. Судя по нынешней орбите, это тело может остаться на своей орбите неопределённо долго, вплоть до миллионов лет, тогда как других подобных тел не наблюдается. Кастро-Киснерос планирует разработать компьютерную модель, позволяющую оценить вероятность попадания других мелких каменных тел на подобные долговечные орбиты.
Факт существования Камо’оалева может послужить нам предупреждением, что потенциальные естественные спутники Земли (несостоявшиеся метеориты) могут занимать и гораздо более опасные орбиты, а убрать с орбиты подобные осколки при современном уровне технологического развития не представляется возможным. Если таких осколков станет много, то, вероятно, орбитальный синдром Кесслера покажется нам сущей мелочью. Следует много раз подумать, прежде чем испытывать на Луне ядерное оружие или разбирать на низкой околоземной орбите специально подогнанный астероид, который покажется нам источником ценного минерального сырья.
