Космос.
ГЛАВА V. КОМЕТНО-АСТЕРОИДНАЯ ОПАСНОСТЬ.
Об угрозе столкновения Земли с другим небесным телом размышлял еще в XVIII в. английский астроном Эдмонд Галлей. Об этом писали фантасты, снимали кинофильмы. Но только в последние 20–25 лет проблему всерьёз стали рассматривать ученые. Космическую опасность теперь осознали и широкие круги населения. Это связано прежде всего, с новыми возможностями изучения Земли и других небесных тел с помощью космических методов, что позволило обнаружить на многих из них огромные взрывные кратеры. Не меньшее значение имело и открытие многих небесных тел, опасно сближающихся с нашей планетой. Это убедило учёных в том, что рано или поздно может произойти катастрофическое столкновение нашей планеты с другим небесным телом.
В полной мере опасность глобальных космических катастроф впервые осознали в связи с математическим моделированием ядерного конфликта. Американский астроном Карл Саган и советский академик Никита Моисеев в 1983 г. своими расчетами показали: в результате обмена ядерными ударами в атмосферу будет выброшено такое количество пыли и сажи, что на планете наступит длительная «ядерная зима». К аналогичным последствиям должен привести и взрыв от падения на Землю с космической скоростью достаточно крупного небесного тела.
Астероиды, сближающиеся с Землёй.
Первую малую планету вне пояса астероидов открыл 13 августа 1898 г. в обсерватории «Урания» немецкий астроном К.Г Витт; ее назвали Эрос. Лишь в афелии Эрос касается края пояса астероидов, а большая часть его орбиты уходит глубоко внутрь орбиты Марса. В перигелии Эрос приближается к орбите Земли на расстояние 22 млн. км. Его уточнённые с помощью космического зонда размеры — 40 x 16 км. Спустя много лет, в 1932 г., был открыт еще один астероид с похожей орбитой. Он получил имя Амур. Этот астероид размером менее километра подходит к земной орбите ещё ближе — на 15 млн. км. Спустя несколько месяцев после открытия Амура был обнаружен Аполлон, который проникает внутрь орбит Земли и Венеры. Расстояние между Аполлоном и нашей планетой может составлять всего 3 млн. км. Определённое опасение вызывало и сближение с нашей планетой в 1936 г. малой планеты Адонис, которая прошла на расстоянии около 2 млн. км. А уже в следующем году другой космический пришелец — 1,5-км астероид Гермес — приблизился к нам на 750 тыс. км, что равно удвоенному расстоянию до Луны.
Якоб Питер Гови. Падение Икара. 1636–1637 гг.
Астероид Эрос открыт в 1898 г.
Другая известная малая планета, открытая в 1949 г., была названа Икаром. Подобно герою греческой легенды о Дедале и Икаре, астероид устремляется к Солнцу. В перигелии Икар с огромной скоростью проносится мимо Солнца на расстоянии в два раза меньшем радиуса орбиты Меркурия, раскаляясь при этом на поверхности до 600 °С!
Сейчас опасно сближающимися космическими объектами считают те, которые подходят к орбите Земли на расстояние меньше 0,05 а.е. (7,5 млн. км.).
Исследование астероидов, сближающихся с Землёй (АСЗ), имеет особое значение. Их структуру, механические свойства и состав надо знать, чтобы в случае необходимости представлять возможные последствия их падения на Землю, а также для принятия адекватных мер защиты.
Абсолютное большинство АСЗ имеет сравнительно небольшие размеры — от сотен метров до нескольких километров. Поэтому изучать свойства этих «летающих гор» можно либо во время их сближения с Землёй, либо с помощью космических зондов. В первом случае большого эффекта удается добиться с помощью радиолокации.
Исследования показали, что АСЗ под действием гравитационных возмущений со стороны планет относительно быстро изменяют свои орбиты.
Так представил художник пояс астероидов вблизи Юпитера.
В последние десятилетия по мере совершенствования техники наблюдений учёным удаётся обнаруживать вблизи Земли опасные астероиды очень малых размеров. Например, 19 мая 1996 г. на удалении всего 450 тыс. км (вблизи лунной орбиты) пронесся астероид поперечником около 500 м. В сентябре 2002 г. мимо Земли промчался объект на расстоянии в несколько раз меньшем радиуса лунной орбиты. Причём он был замечен уже после опасного сближения с нашей планетой. Поперечник пролетевшего космического тела был примерно с футбольное поле, что сопоставимо с размером Тунгусского метеорита.
Как известно, некоторые из тел, сближающихся с Землёй, сталкиваются с планетами, другие падают на Солнце или в результате гравитационного взаимодействия с ним даже выбрасываются за пределы Солнечной системы. Казалось бы, количество АСЗ должно уменьшаться.Откуда берутся АСЗ и каким образом пополняются их запасы в наших космических окрестностях? Долгое время основным источником опасных астероидов считали их главный пояс. Это подтверждает сходство природы многих исследованных вблизи Земли астероидов и малых планет основного кольца. Там астероиды время от времени сталкиваются, дробятся и рассеиваются по Солнечной системе. Во внутренние зоны Солнечной системы астероиды могут попасть и под влиянием возмущающего действия планет — прежде всего Юпитера. Среди АСЗ многие выброшены им из резонансных зон пояса астероидов. По современным представлениям, около 2% астероидов не принадлежит к поясу малых планет и движется по более вытянутым орбитам. Первоначально орбиты вытесненных астероидов будут иметь очень вытянутые орбиты (с эксцентриситетами 0,4–0,6 и полуосями, равными 2–3 а.е.). В дальнейшем при тесных сближениях с Марсом или с Землёй они могут значительно уменьшить эксцентриситет и полуось орбиты, став опасными для нас.
Среди объектов, сближающихся с Землёй, — кометы прежде всего короткопериодические. Наиболее долгоживущие из них, потеряв при многократных сближениях с Солнцем большую часть газовой составляющей, становятся похожими на астероиды. Разумеется, могут приблизиться к нам и «живые» кометы, относительно недавно пришедшие во внутренние области Солнечной системы из облака Оорта. Другими источниками потенциально опасных объектов астрономы считают области между планетамигигантами и транснептуновый пояс Койпера.
Изображение в разных ракурсах астероида 1998 KY26 (открытого в июне 1998 г.).
Математические расчёты подтверждают, что орбиты долгопериодических комет могут измениться при их тесном сближении с планетами-гигантами, в особенности с Юпитером. Кометную активность (образование головы и хвоста) порой проявляют известные астероиды, к примеру Фаэтон. (Так назвали астероид № 3200.).
Итак, некоторая, небольшая часть астероидов оказывается вблизи орбиты Земли или пересекает её. Рано или поздно некоторые из них могут столкнуться с Землёй.
В зависимости от параметров орбит астероиды относят к трем типам.
1. Астероиды типа Амура не заходят внутрь орбиты Земли. Они подходят к земной орбите с её внешней стороны, поскольку их перигелии — ближайшие к Солнцу точки орбит — лежат вне земной орбиты. К этой группе относится, в частности, астероид Гидальго. Не пересекаясь с земной орбитой, астероиды типа Амура в ближайшем будущем опасности не представляют. Они составляют около четверти открытых АСЗ.
2. Малые планеты типа Аполлона пересекают орбиту Земли. (Их афелий лежит вне земной орбиты, а перигелий — внутри неё.) Такие астероиды составляют больше половины известных АСЗ. Они и представляют для нас самую большую опасность.
3. Наибольшая часть орбиты астероидов типа Атона помещается внутри земной орбиты. И только вблизи своего афелия астероиды этого типа пересекают орбиту нашей планеты. Считали, что их доля от всех АСЗ менее 10%. Но, быть может, эти данные не отражают истинную картину. Ведь объекты, приближающиеся со стороны Солнца, трудно обнаружимы. Это делает астероиды типа Атона очень опасными.
Как видим, по случайному совпадению название всех трёх групп АСЗ начинаются с буквы «А». Поэтому их часто называют AAA-астероиды. Ежегодно открываются новые потенциально опасные астероиды. Причём с уменьшением размеров число астероидов более чем квадратично возрастает (в степени 2,4).
Такое увеличение числа объектов с уменьшением их размеров, характерное для астероидов, комет и метеоритов, свидетельствует, что они, скорее всего, образуются в результате дробления более крупных тел. Это же подтверждает и тот факт, что среди АСЗ нет объектов крупнее 40 км.
Что опасней: кометы или астероиды?
На этот вопрос нет простого ответа. По мнению некоторых специалистов, около половины астероидов, сближающихся с нашей планетой, на самом деле могут быть короткопериодическими кометами, потерявшими значительную часть своей газовой составляющей. Их называют угасшими. Это надо иметь в виду, говоря о соотношении числа комет и астероидов, приближающихся к земной орбите. Поскольку каждый год открываются всё новые потенциально опасные астероиды, ясно, что их гораздо больше, чем нам уже известно. Сравним их число с количеством потенциально опасных комет.
Кометы, в зависимости от времени их обращения вокруг Солнца, бывают долго- и короткопериодическими. Специалисты, занимающиеся проблемой кометно-астероидной опасности, короткопериодическими условились считать кометы, период обращения которых меньше 20 лет. Согласно наблюдениям и теоретическим расчётам, количество наиболее крупных (с поперечником ядра больше 1 км) короткопериодических комет — около 30. Таких комет в два раза меньшего размера — около 150. Комет, сравнимых по величине с Тунгусским телом (ядра более 0,1 км), — от 2000 до 4000.Таким образом, число сближающихся с Землёй короткопериодических комет в 100 раз меньше, чем астероидов сопоставимых размеров. Но с Землёй могут столкнуться и классические долгопериодические кометы, которых вблизи Земли может быть раз в пять больше, чем короткопериодических. Специалисты считают, что количество параболических и почти параболических комет, пересекающих орбиту Земли, свыше 200. Общее число потенциально опасных комет (тех, что пересекают земную орбиту) составляет 10% от количества астероидов, сближающихся с Землёй.
Однако есть обстоятельства, которые увеличивает степень кометной опасности. Кометы движутся по очень вытянутым орбитам, и потому скорость их встречи с Землёй вблизи перигелия может быть значительно выше, чем у астероидов. На встречных курсах она может достигать 72 км/с, что увеличивает их потенциальную разрушительную энергию. Высокоскоростное кометное ядро сравнительно небольшой массы представит не меньшую опасность, чем более массивный, но «медленный» астероид. Вследствие этого вклад комет в кометно-астероидную опасность возрастает до 25%, а как полагают некоторые специалисты, и до половины. Кроме того, появление долгопериодических комет гораздо сложнее предсказать — они приходят неожиданно с самых разных направлений.
Сравнивая кометную и астероидную опасность, примем во внимание, что средняя плотность астероидов в 3–4 раза выше плотности «кометных снежков». Значит, при прочих равных условиях у астероидов больше шансов прорваться сквозь атмосферу к земной поверхности.
При благоприятных обстоятельствах современные средства наблюдений вряд ли позволят открыть опасную долгопериодическую комету более чем за несколько месяцев или за год до времени столкновения. Впрочем, и после открытия кометы ее траекторию нельзя прогнозировать с высокой точностью. Орбита может претерпевать изменения под действием струй вещества, выбрасываемых кометным ядром. Возникающую реактивную силу называют негравитационной силой, а порождаемые эффекты в движении ядра называют негравитационными. Если не учитывать эти эффекты, то, определяя момент прохождения некоторых комет через перигелий, можно ошибиться на десятки суток. Это ещё больше увеличивает степень кометной опасности.
Если наиболее крупные из долгопериодических комет можно будет заранее увидеть на ночном небосводе, то «угасшие» кометы представляют опасность своим совершенно неожиданным появлением вблизи Земли. Полным сюрпризом может стать и встреча с крошечной кометой, подобной Тунгусскому метеориту. Новые кометы, ядра которых меньше 500 метров, даже сближаясь с Солнцем, остаются невидимыми с Земли из-за относительно малой величины их газовопылевой оболочки.То, что кометы представляют значительную угрозу для нашей цивилизации, подтверждают выводы известного исследователя Луны и планет В.В. Шевченко. Он пришёл к убеждению, что значительная часть кратеров, их цепочек, а также некоторые другие структуры на Луне и Меркурии — последствия столкновений их с кометами. Многие наблюдаемые образования можно объяснить падением распавшихся ядер комет или «скользящими» контактами газовопылевой комы комет с лунной поверхностью.
Большая комета над Прагой, гравюра 1557 г.
И всё же сейчас в окрестностях земной орбиты астероидов бывает по крайней мере в десятки раз больше, чем комет, и вероятность встречи с ними более высока. До сегодняшнего дня ближе всего — на расстояние два с четвертью миллиона километров — в 1 770 г. к нам приблизилась комета Лекселя.
С 1995 г. группа сотрудников Института астрономии РАН (ИНАСАН) осуществляет научно-исследовательскую программу поиска крупных тел в метеорных и болидных потоках. Учёные уже давно установили, что метеорные потоки своим происхождением обязаны кометам. Исходя из этого, исследователи ИНАСАН предположили, что метеорные потоки, растянувшиеся вдоль орбиты материнской кометы, должны включать в себя наряду с микрочастицами метеороиды кометной природы. Эта гипотеза полностью подтвердилась. Учёным удалось открыть более 20 потенциально опасных тел поперечником в десятки метров. Больше всего (7) их оказалось в известном августовском потоке Персеид. Если вторжение снежно-ледяного метеороида метрового размера вряд ли представит серьезную угрозу, то встреча Земли с кометным телом поперечником несколько десятков метров может породить катастрофу, подобную тунгусской. Еще в 1971 г. московский астроном И.Т. Зоткин высказал пророческую мысль о том, что «тунгусские метеориты падают каждый год». Он имел в виду яркие объекты, фотографируемые американскими станциями наблюдения ярких болидов. В.А. Бронштэн сравнил параметры нескольких десятков зарегистрированных болидов с данными о Тунгусском метеорите. Ученый пришёл к выводу, что это тела одной природы, отличающиеся только размерами. Ученые ИНАСАН в 1996 г. увидели «космического пришельца» поперечником около 200 м, который приблизился к нашей планете на полтора радиуса лунной орбиты. По космическим меркам это чрезвычайно опасное и тесное сближение.
В том же 1996 г. с помощью телевизионной установки американского спутника «Полар», снимающей в ультрафиолетовых лучах, удалось получить изображение движения вблизи Земли самих мини-комет. Американские спутники-разведчики ежегодно замечают до трёх десятков ярких болидов, движение которых завершается взрывом в верхних слоях атмосферы. К счастью, взрыв происходит так высоко, что его последствия на поверхности Земли практически не ощущаются. По данным американских учёных, в среднем за год Земля переживает 107 таких столкновений. Но это в среднем. В реальности число событий в разные годы варьируется, кроме того, мини-комет больше всего бывает в ноябре, а меньше всего — в январе.
Комета над Роттердамом, рисунок 1680 г.
В близком направлении ведут исследования сотрудники Харьковского технического университета радиоэлектроники. Они также рассматривают метеорный рой как пылевой след в межпланетном пространстве крупного родительского тела, сближающегося с Землёй. И это естественно: ведь все метеорные потоки наблюдают в земной атмосфере. Следовательно, тело, с которым метеорный рой связан генетически, в своём движении вокруг Солнца если не пересекается с земной орбитой, то уж точно тесно сближается с ней. В последнем случае не исключено, что эволюция орбиты может привести к столкновению тела с Землёй. В Харькове накоплена самая полная в мире база орбит метеорных потоков. Она содержит данные о 5160 орбитах потоков метеоров. Анализ содержащихся в базе параметров позволяет косвенным методом определить элементы орбит потенциально опасных небесных тел, которые до сих пор не удается открыть с помощью наблюдений. Можно надеяться, что в дальнейшем, используя полученные данные, удастся увидеть кометы, породившие метеорные потоки.
Многие явления, природа которых оставалась непонятной, легко объясняются вторжением в атмосферу мини-комет. Они поставляют воду на высоты около 80 км.
* * *
Возможны ли кометные ливни? Есть предположение, что бывают периоды, когда число комет, пересекающих земную орбиту, резко возрастает. Наблюдаемые масштабы последствий столкновений комет с Луной и Меркурием показывают, что они пришли из далекого пояса Койпера или ещё более удалённого облака Оорта, поскольку предполагаемые большие размеры ядер и высокая скорость соударений характерны для новых комет. Откуда приходят кометные ливни? Существует предположение, что время от времени облако Оорта испытывает гравитационные возмущения, вызываемые близким «пролётом» звезды или гигантского газовопылевого облака. В результате какая-то часть комет «высыпается» из облака Оорта в центральную часть Солнечной системы. Другой «возмутительницей» облака Оорта может быть Немезида, или Звезда Смерти. Такое угрожающее имя получило гипотетическое небесное тело — то ли сверхгигантская планета, то ли очень маленькая, остывшая звезда («черный карлик») — в несколько раз более массивное, чем Юпитер. Предположение о существовании неизвестного массивного тела было высказано в связи с отклонением некоторых комет от рас-5 чётных трасс под влиянием гравитационного возмущения. Анализ изменения кометных орбит позволяет предположить, что в настоящее время Немезида находится где-то на полпути между Солнцем и облаком Оорта. По расчётам разных авторов, период обращения Немезиды вокруг общего центра масс этой звезды и Солнца может составлять от 6 до 26 млн. лет. Соответственно среднее расстояние от Солнца — от 0,5 до ' более 1 светового года (от 33 до 88 тыс. а.е.). Для сравнения напомним, что самая далёкая планета Нептун обходит вокруг Солнца за 164,8 года и движется от него на среднем расстоянии около 30,1 а.е. Причём загадочное небесное тело имеет обратное по отношению к планетам направление движения. Однако ряд учёных не видят оснований, подтверждающих существование «Немезиды». Кометный ливень может быть спровоцирован также прохождением Солнечной системы через плоскость Галактики, которая богата газом, пылью, а быть может, и ядрами комет. По некоторым расчётам, за жизнь Земли могло случиться около десятка кометных ливней и порождённых ими бомбардировок нашей планеты. Не надо думать, что кометные ливни по частоте встреч Земли с кометными ядрами напоминают поток дождевых капель. Если эти природные механизмы действуют на самом деле, то земной шар может! в период кометных ливней испытать бомбардировку ядрами комет диаметром около 1 км со средней частотой 1 раз в одну-две тысячи лет. За время одного кометного ливня продолжительностью около полумиллиона лет на Землю могло выпадать до 200 комет. С существованием опасности кометных ливней согласны далеко не все специалисты, мы просто не видим тех звёзд и газово-пылевых облаков, которые могли бы их вызвать. Не было и близкого по времени прохождения Солнца через плоскость Галактики. Так что по крайней мере в наше время — плюс-минус несколько миллионов лет — кометные ливни подобного происхождения нам не угрожают. Однако следы подобных кометных бомбардировок планетологи находят на поверхности нашей ближайшей космической соседки — Луны.
Космические катастрофы: вероятность и возможные последствия.
Как часто могут случаться столкновения с катастрофическими последствиями? Поскольку число астероидов и комет тем больше, чем меньше их масса, реже всего должны происходить катастрофы глобального масштаба. Понятно, что при столкновении небесного тела с Землёй первый удар принимает на себя атмосфера. Дальнейшее зависит от скорости встречи, от угла входа падающего тела в атмосферу, от его массы и состава.
Метеорит поперечником до 10 м, скорее всего, настолько затормозится в воздухе, что просто выпадет на земную поверхность, не вызвав значительных разрушений. Падение космических «пришельцев» диаметром около 50 м уже приведёт к катастрофическим последствиям масштаба знаменитого тунгусского события 1908 г. Это будет катастрофа локального характера.
Каменистые тела поперечником около 150 м на высотах 5–10 км подвергнутся взрывному дроблению. Взрывная волна вызовет разрушение в радиусе до нескольких десятков километров. Тугоплавкие тела размером несколько сот метров пробьют воздух без заметного торможения и почти в целости врежутся в Землю. Практически вся их энергия движения обрушится на земную поверхность. Это приведёт к взрыву и выбросу массы вещества, в сто и более раз превышающей массу упавшего тела. Если с Землёй встретится рыхлое ядро кометы тех же размеров, то взрыв может произойти над поверхностью Земли.
Воздушный взрыв космических тел может привести к большим катастрофическим последствиям, чем их непосредственное столкновение с земной поверхностью. Расчеты показали, что высоты, на которых формируются условия для взрыва космических тел, сравнительно невелики и составляют для льда 10–30 км, для железа и базальта — 3–1 5 км. При падении тела поперечником 250 м выделится энергия, эквивалентная 1000 Мт, что приведёт к разрушениям на площади в миллион гектаров. Такие события могут происходить раз в 10 000 лет. Со стометровыми космическими объектами Земля сталкивается в два раза чаще — каждые 5000 лет.
Каждый миллион лет Земля может 1–2 раза столкнуться с телом диаметром около 1 км, что породит бедствие регионального масштаба. Геологические данные позволяют сделать вывод, что каждые 1 5–20 млн. лет Земля сталкивалась с космическими телами поперечником более 1,5 км. По современным представлениям, вероятность повторения подобных событий в будущем с такой периодичностью сохраняется.
Есть некоторая пороговая величина космического «ударника», больше которой на Земле с неизбежностью произойдёт глобальная экологическая катастрофа. Её возможный сценарий описан учёными. Анализ последствий ядерных испытаний показывает, что подобная катастрофа могла бы наступить при взрывах с энергией 105–106 Мт. Подобные же последствия может вызвать столкновение Земли с телом поперечником 1,5–2 км на скорости 20 км/с либо поперечником в 1 км при скорости 42 км/с. Столкновение нашей планеты с объектом большего размера может вызвать глобальную катастрофу. В этом случае от самого взрыва погибнут миллионы людей, обширные лесные районы будут охвачены пожарами, образуется огромная озоновая дыра, что вызовет повышение фона ионизирующего излучения и сопутствующие этому заболевания.
Такие значительные изменения природных условий на планете обязательно приведут к глобальному экологическому кризису, что критически повлияет на биосферу и драматически скажется на дальнейшей судьбе цивилизации.
Так могло выглядеть катастрофическое столкновение Земли (на ранних этапах её образования) с космическим телом поперечником в сотни километров.
Падение на Землю гигантского астероида в представлении художника.
Голубой росчерк оставил на снимке, сделанном 5 марта 1998 г., сближающийся с Землёй астероид.
Вероятность такой катастрофы статистически очень мала — она может случаться в среднем один раз за сто миллионов лет. Масштабы катастрофы могут зависеть и от места падения «ударника». Скажем, если достаточно крупное тело упадёт в океан, то возникшее цунами и наводнения приведут к разрушениям на огромных территориях. Трудно вообразить, но расчеты свидетельствуют: если на поверхность океана, имеющего глубину 4–5 км, обрушится астероид поперечником 10 км, то образуется вал высотой 4–5 км. Эта водяная гряда, «разбегаясь», сохранит подобную высоту в акватории радиусом до 25 км. При размере «ударника» в 2 км от места катастрофы помчится километровый вал.
Удаляясь от места удара, круговая волна будет терять высоту обратно пропорционально своему радиусу. Например, в случае падения астероида диаметром 2 км даже на удалении от точки удара на 2000 км высота цунами составит 10 м. Помимо разрушительных последствий надо учитывать возникающие геофизические эффекты и физико-химические процессы в атмосфере Земли.
В Институте физики Земли учёные провели анализ и расчёты последствий падений астероидов. Они пришли к выводу, что в некоторых случаях удары астероидов приходились на геологически напряжённые области. В результате высвобождалась сейсмическая энергия, что вызывало взрыв на порядок более мощный. В этом случае геологические слои ведут себя подобно закалённому стеклу, которое, как известно, может взорваться от слабого, но резкого удара.
А представьте себе, что даже относительно небольшой космический объект врежется в атомную электростанцию! Это может привести ко второму Чернобылю. Не меньшую по масштабам катастрофу может вызвать попадание «ударника» в сооружения химического комбината или в хранилище отравляющих веществ.
Так что очень важно выяснить частоту «обстрела» Земли метеороидами, подобными Сихотэ-Алинскому метеориту. Эту задачу в последние годы успешно решает система американских спутников, запущенных на геостационарную орбиту. Первоначально система создавалась, чтобы контролировать ядерные взрывы и запуски ракет. Но уже давно она приобрела новое назначение. В 1995–1998 г. спутники ежегодно фиксируют около 30 ярких вспышек суперболидов.
Вот несколько примеров. 1 октября 1990 г. была зарегистрирована яркая вспышка над Тихим океаном с энергией 19–106 МДж, что в несколько раз больше энергии атомных взрывов в Хиросиме и Нагасаки. Тщательный анализ спутниковых данных показал, что вспышка над Тихим океаном была вызвана не испытанием ядерного оружия, а разрушением в атмосфере Земли крупного космического тела. Вторжение самого крупного из замеченных со спутника метеорных тел наблюдалось 1 февраля 1994 г. над Маршалловыми островами. В тот день метеороид вошел в атмосферу со скоростью 24 км/с. Анализ данных показал, что суперболид за время полёта дважды испытал разрушение — на высотах 34 и 21 км. Масса «пришельца» была оценена в 400–500 т (примерно как у Сихотэ-Алинского метеорита), а энергия — около 170–106 МДж. Но начальная скорость метеороида была почти в 2 раза больше, чем при падении метеорита в отрогах Сихотэ-Алиня. Поэтому он разрушился на большей высоте. Такие крупные метеориты, по-видимому, вторгаются в земную атмосферу раз в один-два года. Большинство из них не достигает поверхности Земли, поскольку железные метеорные тела среди них довольно редки. Их, напомним, всего около 5% от общего числа выпадающих метеоритов.
В последнее время многие специалисты ищут разные подходы к оценке вероятности космических катастроф того или иного масштаба.
На основе изучения притока космического вещества, начиная с микронных размеров и заканчивая объектами поперечником до 100 км, а также исследуя пространственное расположение орбит 600 АСЗ, были сделаны важные выводы. Пространственная плотность околоземных астероидов меняется в течение года в зависимости от расположения Земли на её орбите. Оказалось, что в сентябре-октябре населенность околоземного пространства сближающимися объектами на 30–50% выше, чем в другие месяцы. Соответственно именно в это время года выше вероятность столкновения Земли с опасными объектами. Это же время наиболее благоприятно для открытия неизвестных пока АСЗ. Причём при обследовании участков небесной сферы, противоположных Солнцу, вероятность обнаружения опасных объектов в 3–5 раз выше, чем в среднем по всем направлениям.
Интересно, что страховые компании США, ссылаясь на данные американских специалистов, в своей политике и практике исходят из того, что у отдельного человека риск пострадать от космической катастрофы не меньше, чем погибнуть в авиакатастрофе. Наши представления о сроках и вероятности космической угрозы корректируются по мере открытия и исследования новых опасных объектов.
| События, не имеющие последствий (белая зона) | 0 | Вероятность столкновения в ближайшие десятилетия равна нулю. К этой же категории событий относятся столкновения с объектами, которые не смогут достигнуть поверхности Земли, сгорев в её атмосфере |
| События, заслуживающие внимания (зеленая зона) | 1 | Вероятность столкновения крайне низка, порядка вероятности случайного столкновения Земли с объектом такого же размера (необходимо слежение, но скорее всего подобные тела в ближайшие десятилетия с Землёй не встретятся) |
| События, вызывающие беспокойство (желтая зона) | 2 | Близкий, но не являющийся чем-то необычным пролёт. Столкновение очень маловероятно. |
| 3 | Близко пролетающее тело, вероятность столкновения 1% или выше. Столкновение может вызвать только локальные разрушения | |
| 4 | Близкий пролёт с вероятностью столкновения 1% и более. Столкновение способно вызвать региональные разрушения | |
| Явно угрожающие события (оранжевая зона) | 5 | Близкий пролёт, который может с существенной вероятностью вызвать столкновение, приводящее к региональной катастрофе |
| 6 | Близкий пролёт, который может с существенной вероятностью вызвать столкновение, приводящее к катастрофе с вероятными глобальными последствиями | |
| 7 | Близкий пролет, который может с существенной вероятностью вызвать столкновение, приводящее к катастрофе с неизбежными глобальными последствиями. | |
| Неизбежное столкновение (красная зона) | 8 | Столкновение, приводящее к локальным разрушениям. Такие столкновения с Землёй происходят от одного раза в 50 лет до одного раза в 1 000 лет |
| 9 | Столкновение, приводящее к региональным разрушениям. Такие столкновения с Землёй происходят от одного раза в 1 0 000 лет до одного раза в 1 00 000 лет | |
| 10 | Столкновение, приводящее к глобальной катастрофе с изменением климата. Такие события случаются один раз в 1 00 000 лет и реже |
За неделю до наступления нового тысячелетия на расстоянии, всего в два раза превышающем радиус лунной орбиты, мимо нас промчалось небесное тело размером около 50 м. Из-за малых размеров его удалось заметить лишь вблизи земного шара. Попади такой «камешек» в Землю — и мы стали бы свидетелями (если не участниками) локальной катастрофы. Хотя по оценкам специалистов, подобное может случаться на земном шаре раз в 100–200 лет (по другим данным — раз в тысячу лет).
Мониторинг сближающихся объектов.
Кометы в опасной близости от нашей планеты.
Понятно, насколько важно и необходимо своевременно открывать и исследовать потенциально опасные космические объекты.
Основными задачами системы наблюдения за опасными объектами являются:
— обнаружение и взятие на учёт всех астероидов, сближающихся с Землёй;
— открытие короткопериодических комет, сближающихся с Землёй, и определение их орбит;
— заблаговременное открытие долгопериодических комет и определение их орбит;
— обнаружение объектов непосредственной угрозы и уточнение возможного района их падения;
— определение физических характеристик опасных космических объектов (ОКО), их формы, характера собственного вращения, химического и минералогического состава;
— выдача целеуказаний для наведения на ОКО космических аппаратов.
Специалисты полагают за десятилетие интенсивных наблюдений реально учесть все опасные объекты, связанные своим происхождением с поясом астероидов.
Ко времени написания этой книги (2014 г.) открыты и занесены в каталоги около 5500 астероидов, сближающихся с Землёй. Почти полностью учтены опасные сближающиеся объекты поперечником более 8–10 км.
По современным представлениям, число сближающихся с Землёй объектов с поперечником более 1 км может быть от 900 до 1230. Их открыто около 80%. Столкновение с Землёй таких астероидов может вызвать региональную или глобальную катастрофу. И хотя такие события возможны только раз за миллионы лет, этот «раз» может случиться и в ближайшие годы.
Вот почему важно как можно скорее создать Международную службу слежения за объектами, сближающимися с Землёй. В идеале такая служба должна за несколько орбитальных оборотов до возможной встречи обнаруживать опасные небесные тела. Тогда в запасе у землян будет как минимум несколько лет.
Представляющую опасность для землян долгопериодическую комету желательно обнаружить хотя бы за несколько месяцев до сближения.
Опасными объекты могут стать и в результате изменения их траектории от столкновения с другим небесным телом. Служба слежения должна быть готова и к таким неожиданным событиям.
Объекты, размеры которых измеряются метрами или десятками метров, могут быть обнаружены лишь на подлёте к Земле, когда расстояние до них составит порядка миллиона километров, а до встречи останется несколько десятков часов.
Задачи службы слежения не ограничиваются только обнаружением и определением траектории опасных объектов. Система мониторинга должна рассчитывать место и время встречи опасного объекта с Землёй, а также исследовать характеристики астероидов и комет: форму, структуру, спектральные и фотометрические характеристики, собственное вращение. Только на основе такой информации можно будет спрограммировать наиболее подходящие для данного конкретного случая способы и технические средства защиты. Не менее важная задача службы мониторинга — выдача целеуказаний средствам перехвата, определение точных координат аппаратов-перехватчиков для возможно необходимой коррекции их траекторий.
Надо подчеркнуть, что исследование природы потенциально опасных объектов имеет и теоретическое значение для понимания взаимодействия Земли с ближним и дальним космосом.
Методы и средства обнаружения и слежения.
Если астероиды открывают, как правило, астрономы-профессионалы, то большая часть комет была обнаружена любителями астрономии. Тому есть два объяснения. Во-первых, приближающиеся к Солнцу кометы, окутываясь обширной газовопылевой оболочкой, бывают настолько яркими объектами, что становятся доступными для наблюдения с помощью относительно скромных любительских средств. Во-вторых, только многочисленная армия любителей науки, «охотясь» за кометами, в состоянии практически ежесуточно обозревать всю небесную сферу. Правда, на более мощных телескопах профессиональных обсерваторий кометы могут быть обнаружены на гораздо более далёком расстоянии, что очень важно для своевременного принятия мер защиты. Понятно, что опасность может представить столкновение именно с ядром кометы, а не с его обширной оболочкой или хвостом.
До конца прошлого века было учтено восемьсот астероидов, сближающихся с Землёй (АСЗ). Значительная часть из них была обнаружена с помощью фотосъемки на телескопах. Наблюдения с целью определения положения и орбиты небесных объектов называют астрометрическими. Результаты многолетних астрометрических наблюдений заносят в каталоги. Есть, например звёздные каталоги, каталоги малых планет, каталоги объектов, сближающиеся с Землёй. Для поиска и отслеживания малых планет астрофотография применялась более 100 лет. Для этого чаще всего использовались специальные телескопы — астрографы с кассетой для больших фотопластинок. В дополнении к главной оптической системе астрограф имеет ещё один соосный телескоп — гид. С помощью гида наблюдатель во время экспонирования удерживает наблюдаемый участок неба в поле зрения. Это позволяет в течение достаточного времени накапливать свет от слабых объектов и получать изображение значительного участка ночного неба. Создаваемая таким образом стеклянная библиотека дает возможность сравнивать снимки одного участка, полученные с интервалами несколько суток, месяцев и лет. Астероиды на них удается выявить, т.к. они «ползут», перемещаются на фоне далёких звёзд, практически не меняющих своего положения относительно друг друга. Чем астероид ближе к Земле, тем на больший угол он смещается в единицу времени. Для определения истинного движения астероида надо учитывать, что его видимое перемещение есть сумма движений по своим орбитам астероида и Земли. Видимое движение астероида за сутки может составлять от долей градуса до десятков градусов.
Измерения координат астероидов на фотопластинках проводят с помощью специальных высокоточных приборов. Эти положения определяют относительно нескольких окружающих звёзд, координаты которых хорошо известны. Такие звёзды называют опорными. Существует несколько астрометрических каталогов опорных звёзд. Наиболее обширен и точен каталог Guide Star Catalogue (GSC), созданный в Научном институте космического телескопа. В каталог занесено 20 млн. (!) звёзд от 9 до 16 звёздной величины. Их положение приведено со средней точностью около 0,3угловой секунды. Понятно, что GSC был издан не в виде книг, а представляет собой серию компактных компьютерных лазерных дисков, а также доступен по Интернету. Работа над каталогом продолжается. GSC широко используют и в кометной астрономии.На территории стран СНГ наибольший опыт поиска и исследования астероидов накоплен в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО). Путем фотографических наблюдений с помощью двойного 40-см телескопа-астрографа здесь было открыто около трети всех каталогизированных к концу прошлого века астероидов. Модельные математические эксперименты показали, как должны выглядеть объекты перед столкновением с Землёй. В последний период перед столкновением величина углового перемещения зависит от направления подхода астероида к Земле. Некоторые из них становятся «очень медленными», а в последние 10 дней почти стационарными объектами. И это вполне естественно. Ведь в это время астероид летит прямо на нас, быстро увеличивая свой блеск, но очень мало перемещаясь поперёк луча зрения. В таком случае для определения расстояния до объекта и параметров его траектории необходимо провести серию наблюдений на двух телескопах, достаточно удалённых друг от друга. Такие наблюдения называют базисными. Они позволяют использовать триангуляционный метод определения расстояния до объекта. Поможет здесь и радиолокация потенциально опасного объекта.
При всех достоинствах фотографический метод имеет один существенный недостаток — слабую чувствительность фотоэмульсий, или, как говорят специалисты, их низкий квантовый выход (лишь небольшой процент падающих на фотоэмульсию квантов света проявляется после обработки). Даже у самых современных высокочувствительных фотоматериалов квантовый выход не превышает нескольких процентов. Поэтому фотографический метод не позволяет открывать сравнительно небольшие и потому неяркие опасные космические объекты, которых больше всего в окрестностях земной орбиты. Не обладает астрофотография и необходимой для целей космической защиты оперативностью получения результатов наблюдений.На помощь учёным пришли новейшие средства микроэлектроники и компьютерные технологии. После 2000 г. астрономы полностью перешли на электронно-оптические методы наблюдений. В качестве чувствительных приемников излучения в телескопах начали использовать твердотельные приборы с зарядовой связью (ПЗС). В наши дни ПЗС-матрицы используют в мобильных телефонах, в цифровых фото- и видеокамерах. Основой ПЗС-матрицы является плоский слой монокристалла полупроводника (как правило, кремния). На эту подложку наносят много металлических площадок, расположенных в правильном геометрическом порядке в виде строк и столбцов. Каждая площадка вместе с подложкой образует ячейку, чувствительную к свету. Такая ячейка становится элементарным конденсатором, который может накапливать электроны, возникающие под действием падающего потока фотонов. Возникающие таким образом электрические сигналы передаются вдоль столбцов в следующие строки. С последней строки электрические заряды попадают на усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Этим процессом управляет компьютер. Чтобы снизить помехи от самой матрицы, её охлаждают до -130 °С.
Современные ПЗС-матрицы изготовляют с числом светочувствительных элементов (пикселей) от 4096–4096 и более. Размеры каждого элемента от 3–3 до 30–30 мкм. Профессиональные ПЗС-камеры обеспечивают не только сверхвысокую чувствительность, но и высокоточное определение координат изображений в оцифрованном виде. Это даёт другое важнейшее преимущество метода — возможность получения и компьютерной обработки информации почти в реальном масштабе времени.
Каждая звезда проявляется на площади в несколько пикселей. Компьютер определяет блеск звезды и её координаты с точностью не ниже 0,1 размера пикселя. В результате получают массив прямоугольных координат и блеск объектов, попавших в поле, покрываемое матрицей. После этой обработки компьютер пересчитывает прямоугольные координаты в привычные для астрономов сферические экваториальные.
Если за одну ночь получено два-три кадра одной и той же площадки неба, то компьютер, в памяти которого есть каталоги опорных звёзд, данные об известных подвижных объектах естественного и искусственного происхождения, сможет выделить новые подвижные объекты, представляющие опасность для землян. На практике наблюдатели получают три измерения положения объекта с перерывом 20–30 мин. Этого бывает достаточно, чтобы определить скорость изменения координат исследуемого объекта и сопоставить полученные параметры с параметрами объектов, уже занесённых в базу данных. Следующая задача, решаемая компьютером, определение координат, а затем по нескольким наблюдениям — и построение предварительной орбиты объектов. Об открытых объектах, которые в будущем могут опасно сблизиться с Землёй, все данные отправляют в координационный центр, чтобы пополнить ими каталог опасных объектов.
Из-за движения астероида на фоне звёзд его слабый световой поток как бы «размазывается» по направлению движения и не позволяет накапливать сигнал при длительном экспонировании. Учёные из Новосибирска, работающие в Вычислительном центре Сибирского отделения Академии наук, разработали алгоритм компьютерного преобразования массивов чисел от ПЗС-матриц в параметры орбитального движения. При этом изображения тел, движущихся по эфемеридам заданного класса, представляются как бы неподвижными, что допускает длительное накопление сигнала.
Разработанный алгоритм позволяет избирательно считывать заряды с пикселей ПЗС только в те моменты, когда на них падает свет от движущегося малого объекта. Используя предложенный алгоритм, можно создать систему, которая позволит объединить в центральном компьютере промежуточные результаты наблюдений с нескольких телескопов наземного и космического базирования. Эта система избирательно обнаруживает не любые малые тела, которых, по оценкам, многие миллионы, а лишь те из них, которые сближаются с Землёй.
По результатам численного моделирования и анализа гелиоцентрического движения ОКО установлено, что за несколько лет до тесного и опасного сближения с Землёй происходят их менее тесные сближения с нашей планетой. В эти периоды предварительных сближений и желательно обнаружить потенциально опасный объект. Расчёты, в частности, показывают, что зона контроля космического пространства радиусом 1 5 млн. км гарантирует обнаружение большинства АСЗ за 10 лет до столкновения. Опасные астероиды на предыдущих оборотах могут быть замечены и на гораздо меньшем расстоянии.
Опыт сотрудников ИНАСАН показывает, что с помощью сравнительно небольших телескопов (с диаметром зеркала от 60 см), оснащённых современными светоприемниками с проницающей силой до 18-й звёздной величины, можно обнаруживать тела десятиметрового размера на расстоянии нескольких миллионов километров от Земли. В этом случае время до столкновения составит более суток. Этого будет достаточно, чтобы принять срочные меры защиты. Однако для своевременного обнаружения более крупных, но удалённых потенциально опасных объектов необходимо использовать проницающую силу самых крупных телескопов. Сейчас в мире их несколько десятков, причём, как правило, они располагаются в местах с наилучшими для наблюдений природными условиями. Одно из мест с прекрасным астроклиматом — Гавайские острова.
Над вершиной Мауна-Кеа Большого острова Гавайского вулканического архипелага опрокинута чаша тёмного сухого безоблачного неба. Поэтому там на высоте более 4000 м возникло настоящее созвездие крупнейших астрономических инструментов. Достаточно назвать лишь некоторые из них: два телескопа «Кек» с 10-м зеркалами, телескоп «Джемини» («Близнецы») северный с зеркалом размером 8,1 м; инфракрасный телескоп NASA и инфракрасный телескоп Великобритании, японский телескоп «Субару».
Обсерватория на острове Мауна-Кеа на Гавайях.
Башня телескопа «Субару» на острове Мауна-Кеа.
«Субару» введён в строй в 1999 г. Диаметр его зеркала составляет 8,2 м. Телескоп установлен на высоте 4 139 м над уровнем моря. Адаптивные устройства телескопа отслеживают, как при поворотах изменяется форма главного зеркала, и минимизируют возникающие искажения. Кроме того, специальные меры помогают избавиться от «размывания» изображения, вызываемого струением атмосферы. Компьютерная система управляет цилиндрическим куполом обсерватории, что заметно снижает тепловое перемешивание воздуха. Как и в других крупнейших обсерваториях, во время наблюдений сотрудники не заходят в подкупольное помещение, чтобы не создавать дополнительных вибраций и тепловых потоков. Специалисты находятся в комнате операторов. Управление телескопом «Субару» можно вести и по сети Интернет.
Благодаря прекрасному астроклимату и использованию высоких технологий уже на этапе наладки телескопа «Субару» достигнуто разрешение 0,2” (две десятых угловой секунды!). Замечательно, что инструмент позволяет вести наблюдение и в ультрафиолетовой, и в видимой, и в инфракрасной областях спектра.
На обсерватории Мауна-Кеа получают самые качественные астрономические снимки на Земле. Во многих проектах обеспечения космической безопасности предлагается в случае необходимости использовать всю мощь наземных обсерваторий.
Для надежного патрульного обзора всего небосвода необходимо создать международную службу мониторинга на базе наземных и космических телескопов.
Реализуемые проекты и программы наблюдений.
Существует множество масштабных и эффективных программ и проектов мониторинга опасных космических объектов. Часть из них успешно реализуется.
Реальные и систематические меры для обнаружения опасных объектов предпринимают в США.
В 1980 г. в лаборатории Луны и планет Университета Аризоны (США) профессор Том Герелс и доктор Роберт Мак-Миллан организовали научную группу, которую назвали «Spacewatch» («Космический дозор»). Одной из главных задач группы стал поиск астероидов и комет, опасно сближающихся с нашей планетой. Эта группа, работающая в обсерватории Стюарда Аризонского университета, первой освоила ПЗС-технологию наблюдения за малыми телами Солнечной системы. Для наблюдений используется старейший в обсерватории 90-см телескоп (1921 г.). Он находится на высоте более 2000м.С 1983 г., на оснащённом ПЗС-приемниками телескопе, ведутся систематические наблюдения по программе «Космический дозор». Почти половину новых астероидов, сближающихся с Землёй, в конце XX в. открывали на этом инструменте. Уже к середине 1 995 г. группа Герелса открыла 94 АСЗ. В дальнейшем удалось обнаружить в непосредственной близости от Земли глыбы размером всего в несколько метров!
Телескоп «Сара» в обсерватории Китт-Пик в пустыне Сонора, США.
На рубеже веков «Космический дозор» был усилен: 90-см телескоп оснащён современной электронной системой построения и обработки изображения и новой ПЗС-камерой. Но главное, весной 2001 г. введён в строй новый телескоп с зеркалом диаметром 1,8 м. Этот инструмент был сконструирован и оснащён с учётом многолетнего опыта использования 90-см телескопа.
Одним из ведущих мировых центров наблюдений комет и астероидов с применением ПЗС является Смитсонианская астрофизическая обсерватория (Кембридж, США). Астрометрические наблюдения проводятся под руководством Б.Г. Марсдена с помощью полутораметрового телескопа-рефлектора.
В последние годы ушедшего столетия в США была создана служба, включающая несколько специальных наземных телескопов, оснащённых оригинальной чувствительной приёмно-анализирующей аппаратурой. Служба призвана учесть все опасные объекты поперечником больше 1 км и предсказывать, хотя бы за десятилетие, возможность их столкновения с Землёй.
На примере телескопа «Субару» можно судить, насколько эффективно использование адаптивной оптики. Система с адаптивной оптикой, управляемая компьютером, способна изменять формы входящих в неё оптических поверхностей при изменениях изображения объекта. Так достигается более высокое разрешение, позволяющее получить более полную информацию о наблюдаемых объектах.
С использованием передовых методов и высоких технологий реализуется проект Pan-STARRS.
В соответствии с ним в январе 2007 г. на острове Мауи (Гавайи) начались практические испытания нового телескопа Pan-STARRS I (PS 1). Цифра 1 в названии инструмента не случайна. Телескоп представляет собой опытный образец, оснащённый одной зеркальной системой диаметром 1,8 м. Он установлен в одной из башен высокогорной обсерватории Халеакала (Haleakala) Института астрономии Гавайского университета. Уникальная светоприёмная ПЗС-камера обеспечивает возможность цифровой съёмки небывало больших участков ночного неба. Программа испытаний и научных исследований с такой камерой обзора рассчитана на 3,5 года. Испытания должны подтвердить эффективность новых технологий обзорных астрономических наблюдений. После этого планируется создать полный вариант телескопа — Pan-STARRS 1. Он будет составлен из четырёх индивидуальных оптических систем, каждая с 1,8-м зеркалом. Все зеркала одновременно наблюдают одну область неба. Каждое зеркало будет иметь поле зрения 3 градуса и цифровую ПЗС-камеру с 1,4 млрд. (!) пикселов. Зеркало каждого телескопа будет передавать в камеру данные объёмом 1,4 млрд. мегабайт. Количество данных, произведённых Pan-STARRS, будет настолько большим, что вместо архивирования всех получаемых изображений придется извлекать из них лишь существенные данные.
Телескоп Pan-STARRS 1 на о. Мауи в архипелаге Гавайских островов.
Обсерватория Пик-дю-Миди в Пиренеях, Франция.
Первоочередная задача PS1 — интенсивный поиск и изучение орбит астероидов и комет в Солнечной системе, которые являются потенциальной угрозой Земле. В процессе опознания потенциальных астероидов-убийц телескоп Pan-STARRS 1 своим обзором охватит за одну ночь площадь в 6000 кв. градусов. Это поможет выявить новые астероиды и кометы до 24 видимой звездной величины.
В проектах мониторинга сближающихся с Землёй космических объектов сеть наземных телескопов будет дополнена телескопами, установленными на космических платформах. Предполагается использование таких телескопов в кооперации с наземными инструментами для организации базисных наблюдений. Точность определения траектории требует достаточно длинной базы — разнесение телескопов на большое расстояние друг от друга. С этой целью космические телескопы выведут на высокоэллиптические или геостационарные орбиты. Это позволит вести исследования слабых объектов круглосуточно без атмосферных помех и во всех областях спектра. Из космоса можно будет заметить ОКО, расположенные на небосводе по соседству с Солнцем. 19 декабря 2013 г. с космодрома Куру во Французской Гвиане стартовала российская ракета-носитель «Союз-СТ-Б» с разгонным блоком «Фрегат-МТ». На борту ракеты находилась Европейская космическая обсерватория Gaia — Global Astrometric Interferometer for Astrophysics, то есть Глобальный астрометрический астрофизический интерферометр. После выхода на околоземную орбиту от третьей ступени ракеты отделился разгонный блок со станцией Gaia. Два включения двигателя обеспечили доставку космического аппарата в точку либрации L2. Обсерватория находится на линии Солнце — Земля на расстоянии 1,5 млн. км от нашей планеты в стороне, противоположной дневному светилу.
Масса космической обсерватории более 2 т, размеры 4,6x2,3 м. На борту обсерватории установлены два телескопа, которые отражают собранный ими свет на сверхчувствительный приемник излучения, который состоит из 106 ПЗС-матриц, Общие размеры ПЗС камеры 100x50 сантиметров, разрешение ПЗС-камеры может достигать миллиарда пикселей. Это устройство справедливо называют самой большой цифровой камерой в мире. Чувствительность камеры настолько высока, что она могла бы заметить прядь человеческих волос на расстоянии 700 км. Помимо телескопов на борту Gaia есть фотометр для измерения яркости космических объектов и спектрометр, позволяющий определить химический состав и температуру звёзд.
Цель проекта — создание достоверной и подробной карты нашей Галактики Млечный Путь с указанием координат, направления движения и цвета примерно миллиарда звёзд. Впечатляет точность, с которой определяется положение объектов на небесной сфере. «Гайя» позволяет измерять угол на небе между направлениями на две звезды, с точностью 25 микросекунд дуги. Это соответствует углу, под которым, видна наша двухрублёвая монета, лежащая на поверхности Луны.
Важная задача — обнаружение комет и астероидов Солнечной системы. Учёные полагают, что телескоп сможет открыть около 10 тыс. экзопланет. Поскольку каждую звезду в будущем каталоге «Гайи» пронаблюдают не менее 70 раз, то будет возможность зафиксировать и проанализировать изменение со временем яркости звёзд и характера их спектра. Несомненно ценной была бы новая информация о тёмной материи. Планируемое время активной жизни обсерватории «Гайя» — пять-шесть лет, обработка полученных данных, подготовка и составление нового каталога объектов могут потребовать еще около двух лет.
Проектирование, экспериментально-исследовательская работа, изготовление и испытание аппаратуры заняли 20 лет и вместе с запуском обсерватории в космос стоили около миллиарда долларов.
В США реализуется другой перспективный проект. Космической обсерваторией нового поколения станет телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), который планируется вывести в космос в 2018 г. Инфракрасный телескоп, названный в честь заслуженного руководителя NASA, сможет работать и в видимом диапазоне. Новое космическое «око» землян — главное зеркало телескопа — имеет диаметр 6,5 м. Это делает JWST гораздо более чувствительным и широкополосным инструментом по сравнению с орбитальным телескопом «Хаббл». С помощью нового телескопа можно будет увидеть события, близкие к началу времени Вселенной, познакомиться с процессом формирования самых первых галактик, а также заглянуть внутрь пылевых облаков, где сегодня формируются звёзды и планетные системы. Телескоп «Джеймс Уэбб» будет выведен в точку либрации L2, откуда его эффективно можно будет использовать и в интересах космической защиты Земли.
Сборка зеркала телескопа «Джеймс Уэбб».
На рисунке показана станция «Гайя» и исследуемый ею астероид.
Сближающийся с Землёй астероид Таутатис.
Поскольку астероиды, сближающиеся с Землёй, обычно обнаруживают на расстоянии нескольких сотен тысяч или, в лучшем случае, миллионов километров, их можно оперативно исследовать с помощью радиолокации. Если оптические средства способны играть роль первого эшелона обнаружения опасных объектов, то радиолокаторы могут стать последним «аварийным» рубежом.
Понятно, что такие наблюдения (в отличие от оптических) можно проводить в любую погоду и в любое время суток. Для того чтобы обеспечить круглосуточное наведение на космические объекты, приходится располагать радиолокаторы в разных частях вращающегося земного шара. Это необходимо и для связи с космическими зондами, летящими в дальний космос, и тем более важно для обеспечения космической безопасности Земли. Система дальней космической радиосвязи США включает инструменты в Калифорнии, Испании и Австралии. Они расположены с угловым интервалом по долготе в 120°. Это обеспечивает непрерывное радионаблюдение за космическими объектами.
К настоящему времени крупные радары и радиотелескопы работают на территории России и Украины, Германии и Великобритании.
С 1990-х г. свойства АСЗ изучают с использованием самых мощных радиолокационных установок в Аресибо и Голдстоуне. Среди исследованных таким образом астероидов — Таутатис.
Астероид Таутатис учёные США и России изучали во время его сближения с Землёй в период 1992–1996 г. За это время было выполнено около АО тыс. измерений. Удалось выяснить, что объект имеет неправильную форму: ширину 2,4 км, длину 4,6 км и движется, «кувыркаясь» в пространстве.
Полученные радиолокационные изображения Таутатиса показали, что на самом деле это два почти прижатых друг к другу астероида, удерживаемых силой взаимного притяжения. Изображения представляют собой компьютерную трёхмерную математическую модель поверхности и вращения Туататиса, созданную на основе выполненных радиотелескопами измерений. Использованная технология делает принципиально возможным получение изображений тысяч астероидов, сближающихся с нашей планетой. Таутатис исследовали и другими астрофизическими методами.
В последние годы объединённый коллектив российских и украинских учёных разработал программу исследования тел Солнечной системы оригинальным методом с использованием нескольких крупных инструментов. Суть метода состоит в том, что исследуемый объект «подсвечивается» мощным Евпаторийским планетным радиолокатором РТ-70. В результате этого облучаемое небесное тело отражает пришедшие радиоволны и становится видимым в радиолучах. Отражённые сигналы в режиме радиоинтерференции принимают несколько удалённых друг от друга радиотелескопов. Вначале прием отражённых радиосигналов производили на крупнейших российских радиотелескопах с диаметром главного зеркала 64 м, которые расположены недалеко от Москвы в Медвежьих Озерах и Калягине на расстоянии около 150 км друг от друга. Интерференция сигналов, приходящих на эти антенны, дает почти такой же результат, как если бы применялась гигантская антенна диаметром около 1 50 км. При мощности излучения сигнала с РТ-70 в 150–200 кВт российский антенный комплекс обеспечивает уверенное обнаружение объектов километрового размера на расстоянии до 1 5 млн. км (0,1 а.е.). Для этого понадобится накапливать эхосигнал около одного часа. Если мы хотим обнаружить объект меньшей величины, то время накопления отражённых радиоволн придется значительно увеличить.
Таким образом, удается с большой точностью определять положение на небесной сфере исследуемых космических тел относительно опорных квазаров — очень далёких почти точечных объектов с известными координатами. Достигаемые результаты с полным правом можно назвать прецизионными. Ведь траекторию центра масс астероидов удаётся определить с точностью до одной тысячной доли угловой секунды! Этого вполне достаточно, чтобы понять, угрожает ли нам столкновение с исследованным астероидом.
Параболический радиотелескоп Грин-Бэнк, Западная Виргиния, США.
Для обнаружения и дистанционного исследования опасных объектов можно использовать и мощные лазерные установки. У нас в стране разработаны проекты применения в этих целях инфракрасных СО2-лазеров космического базирования с использованием солнечной накачки энергии. Применение такой космической системы может обеспечить обнаружение и изучение параметров объектов размером более 50 м на расстоянии от 30 тыс. до 10 млн. км. Эти системы можно будет использовать также для наведения на опасный объект аппарата-перехватчика и необходимой коррекции его курса.
По форме АСЗ исключительно разнообразны. Некоторые из них шарообразны, другие сплюснуты и вытянуты, среди них есть гантелевидные и даже закручивающиеся подобно штопору. Радарные исследования показали, что значительный процент сближающихся астероидов раздвоены или контактнодвойные.
Рукотворная космическая опасность.
Во второй половине XX в. экологический кризис приобрёл космическую составляющую. Человек, начав осваивать космос как четвёртую среду обитания, распространяет загрязнение окружающей среды за пределы земного шара.
Активная «жизнь» почти всех искусственных спутников Земли продолжается от нескольких месяцев до нескольких лет. В начале космической эры к «отжившим» спутникам интерес пропадал, и никто не следил, по каким орбитам они продолжают свой полет. Количество пассивных космических объектов быстро возрастало в связи с ростом числа космических запусков, которое вскоре перевалило за сотню в год. Начиная с нашего первого спутника, запущенного 1 октября 1957 г., в космос отправили более 20 тыс. аппаратов общей массой свыше 3 тыс. т; абсолютное большинство — в околоземное пространство.
Опасность «космической свалки» была осознана только спустя три десятилетия после начала космической эры, когда стала реальной угроза столкновения пилотируемых космических аппаратов и дорогостоящих спутников с «мёртвыми» предметами космической деятельности. Тогда и появился термин «космический мусор».
Число отслеживаемых объектов в космических окрестностях Земли значительно превышает количество космических стартов, и это несмотря на то, что многие спутники уже сошли с орбиты и разрушились. Удивляться этому не приходится. Во-первых, некоторые ракеты выводили сразу два и даже несколько спутников. Во-вторых, кроме космических аппаратов учитываются все обнаруженные искусственные объекты. Количество космического мусора ежегодно возрастает не только за счёт новых запусков, но и в результате дробления при столкновениях отработавших аппаратов.
По данным исследований Института астрономии Российской академии наук и Национального аэрокосмического агентства США (NASA), более 40% космического мусора, движущегося на низких орбитах, является осколками от взрывов верхних ступеней космических ракет и выработавших свой ресурс спутников. Уже к началу 1990-х г. было зафиксировано 112 взрывов — и запланированных, и случайных. Вплоть до 1990-х г. происходили взрывы верхних ступеней ракет «Дельта», «Титан», «Космос», «Протон», «Зенит», «Рокот», «Пегас» из-за перегрева остававшегося в них неиспользованного топлива. Например, подобные случаи на семи вторых ступенях ракет «Дельта» породили 1300 новых занесённых в каталоги космических объектов.
Топливный бак двигателя второй ступени ракеты-носителя «Дельта-2» весом 250 кг упал 22 января 1997 г. в США вблизи Джорджтауна.
Искусственный спутник на орбите Земли.
В интересах противоракетной и противокосмической обороны в СССР и США были созданы военные службы контроля за космическим мусором. Системы контроля околоземного пространства используют радары дальнего обнаружения, а также совершенные оптические и электронно-оптические установки. Они могут «разглядеть» на высотах до 2000 км фрагменты космического мусора размером 10–30 см. На геостационарной орбите (высота около 36 000 км) она может обнаружить объекты размером не менее одного метра. Космическую «мелочь» удается наблюдать с помощью радиолокаторов.
В нашей стране работы по наблюдению космического мусора организует и координирует группа учёных из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша (ИПМ). В ИПМ присваивают вновь открытым объектам временные номера и заносят данные в каталог.
В 2008 г. специалисты непрерывно отслеживали в околоземном пространстве примерно 12 тыс. объектов размером более 10 см. Чем меньше размер космического мусора, тем больше его количество. С помощью статистических расчётов учёные приблизительно оценили количество космической «мелочи»: объектов размером от 1 до 10 см — от 70 до 1 50 тыс., а частиц меньше сантиметра, вероятно, около трех с половиной миллионов единиц. Напомним, что общая масса всей этой мелочи — порядка 3000 т.
Наиболее «засорены» высоты от 600 до 800 км. На таких орбитах объекты могут «жить» в среднем около 300 лет. Объекты космического мусора движутся на разных высотах, по различным орбитам, в разных направлениях, причем при лобовой встрече фрагментов космического мусора с действующими космическими аппаратами скорость их столкновения может достигать 15 км/с (почти 60 тыс. км/ч!) и потому представляет опасность для деятельности людей в космосе. Особенно велика угроза столкновений с космическим мусором размерами менее 10 см, элементы которого не всегда удается отслеживать. Столкновение управляемого аппарата даже с сантиметровым осколком может привести к катастрофе в космосе. Особенно опасно подобное столкновение, если на спутнике будет разрушен ядерный реактор.
Первое столкновение на орбите произошло в 1991 г. Тогда спутник «Космос-1934» столкнулся с обломком спутника «Космос-926». Оба объекта в момент встречи двигались на высоте 980 км. Реальность техногенных космических катастроф была подтверждена гибелью французского спутника CERISE, который 24 июля 1996 г. на высоте примерно 660 км столкнулся с фрагментом третьей ступени французской ракеты «Ариан», выведенной на орбиту в 1986 г. Спутник успел поработать ровно год. Работающая на низкой орбите Международная космическая станция (МКС) уже несколько раз подвергалась угрозе столкновения с достаточно крупными осколками искусственного происхождения. Только благодаря мастерству специалистов — баллистиков Центра управления полётами — удавалось вовремя изменять параметры орбиты МКС и предотвращать, таким образом, возможные катастрофы.
Другая область засорения — зона геостационарных орбит, которая плотно «заселена» тысячью спутников-стационаров. Это население ежегодно возрастает на два-три десятка новых станций и множество обломков спутников, разрушившихся по разным причинам. Геостационарные спутники могут подвергаться бомбардировке естественными метеорными телами.
Как среди звёзд отличить искусственные космические объекты, находящиеся на геостационарной орбите? При телескопических наблюдениях астрономы обычно включают часовой механизм, который компенсирует суточное вращение Земли и заставляет телескоп неотрывно «смотреть» на выбранную звезду. При мониторинге космических объектов и их фрагментов на геостационарной орбите, неподвижных относительно Земли, часовой механизм отключается. Поэтому на ПЗС-кадрах геостационарные спутники регистрируются в виде точек, а звёзды выглядят чёрточками.
Время существования пассивных космических аппаратов на самых низких орбитах — несколько десятков лет. Под действием сопротивления воздуха и земного притяжения все спутники на низких орбитах в своё время входят в плотные слои воздуха и ярко вспыхивают подобно болидам. Наиболее массивные из них падают на поверхность Земли. Куски космического мусора размером более метра в среднем падают на её поверхность не реже одного раза в неделю, фрагменты меньшего размера — ежедневно. К сожалению, точно предупредить о времени и месте их падения специалисты пока не могут.
Из-за того, что густонаселённые районы на нашей планете составляют лишь малую долю её поверхности, землянам пока везёт. Например, в 1978 г. «Космос-594» рухнул в тайге на севере Канады, а через год обломки американской космической станции «Скайлэб» выпали в пустынях Австралии. Однако большую опасность представляют аппараты с радиоизотопными источниками электрической энергии.
В 1964 г. в ходе неудачного запуска навигационного спутника США с ядерными источниками энергии радиоактивные материалы рассеялись над Индийским океаном. Обычно же такие спутники к концу периода активного использования в целях безопасности переводят на орбиты высотой около 1000 км, где атмосфера практически отсутствует, и потому аппараты могут оставаться там многие сотни лет — до тех пор, пока ядерные энергетические устройства перестанут представлять радиационную опасность.
Проблема загрязнения космоса признана многими международными организациями, например Международным астрономическим союзом. Помимо всего прочего, космический мусор становится все более существенной помехой для астрономических наблюдений. Например, на каждом четвёртом снимке, полученном космическим телескопом «Хаббл», регистрируются техногенные обломки. Проблема загрязнения ежегодно обсуждается на сессиях Комитета ООН по мирному использованию космического пространства и его подкомитетов. Специалисты пришли к выводу, что прежде всего необходимо сделать более экологичной космическую деятельность, свести к минимуму рост засоренности околоземного пространства. Придётся более тщательно определять требуемое количество ракетного топлива, чтобы после выполнения разгонных и коррекционных операций баки становились почти сухими. В противном случае, как мы уже говорили, перегрев остатков топлива или срабатывание пироболтов могут стать причиной взрыва. На спутнике должен быть запас рабочего тела (например, сжатого газа) для изменения орбиты спутника после исчерпания его ресурса. Возможны два варианта заключительного маневра. Первый — перевод спутника на такую орбиту, чтобы не позже чем через 25 лет он затормозился в атмосфере. Второй вариант — перевод спутника на высокую орбиту космической «свалки». В последние годы крупные аппараты по завершении их миссии сразу сводят с орбиты и затопляют в южной части Тихого океана, уже прозванной «кладбищем космических кораблей».
Существуют проекты эффективного воздействия на опасные кометы или астероиды эшелонами масс крупного космического мусора, скопившегося на околоземных орбитах. Если суммарная масса собранного техногенного мусора составит около 1000 т, то энергия его удара о поверхность опасного объекта может быть сопоставима с энергией ядерного взрыва мощностью от 1 до 10 Мт.
