История открытия астероидов
творческая работа учащихся по астрономии (7 класс)

Введение.

Астеро́ид — относительно  небольшое тело Солнечной системы, движущееся по орбите вокруг Солнца. Астероиды значительно уступают по массе и размерам планетам, имеют неправильную форму и не имеют атмосферы, хотя при этом и у них могут быть спутники.

Термин астероид от греческого  — «подобный звезде», был придуман композитором Чарлзом Бёрни и ввёден английским астрономом Уильямом Гершелем на основании того, что эти объекты при наблюдении в телескоп выглядели как точки звёзд — в отличие от планет, которые при наблюдении в телескоп выглядят дисками. Точное определение термина «астероид» до сих пор не является установившимся. До 2006 года астероиды также называли малыми планетами.

Главный параметр, по которому проводится классификация, — размер тела. Астероидами считаются тела с диаметром более 30 м, тела меньшего размера называют метеоритами. В 2006 году Международный астрономический союз отнёс большинство астероидов к малым телам Солнечной системы.

История открытия астероидов

В середине XVIII в. знали всего шесть планет Солнечной системы — Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн. Причем было известно, что от последних двух первые планеты разделены непомерно большим расстоянием. В самом деле, расстояние между орбитами Меркурия и Венеры составляет 0,33 а. е. между орбитами Венеры и Земли — 0,28 а. е., между орбитами Земли и Марса — 0,52 а. е., а дальше — до орбиты Юпитера — простирается зона в 7 раз более широкая— 3,7 а. е. (или 555 млн. км). На нее еще в 1595 г. обратил внимание Иоганн Кеплер, открывший законы движения планет и пытавшийся, правда, безуспешно, найти «гармонию» в строении Солнечной системы. Со времен Кеплера астрономы и философы не забывали о наличии этой зоны и даже иногда высказывали предположение о существовании в ней неизвестной планеты.

В 1766 г. очень скромный и мало известный профессор физики из Виттенберга Иоганн Тициус впервые сформулировал закон планетных расстояний в переведенной им на немецкий язык книге «Созерцание природы» знаменитого в то время французского естествоиспытателя и философа Ш. Бонне. Тициус даже не указал своей фамилии, а просто вставил свой закон в подходящем месте в текст Бонне (лишь во втором немецком издании книги Бонне через 6 лет он дал его как примечание переводчика).

В 1781 г. была открыта седьмая планета Солнечной системы — Уран. Она оказалась удаленной от Солнца на огромное расстояние (дальше Сатурна), но величина этого расстояния (19,2 а. е.) совпадала с предсказываемой законом Тициуса. В связи с этим Боде стал еще больше его пропагандировать и со временем начал упоминать его автора (тем не менее впоследствии этот закон называли правилом Тициуса — Боде). При этом в еще большей степени окрепла идея о неизвестной планете между Марсом и Юпитером, основанная лишь на непонятной, лишенной какого бы то ни было объяснения закономерности в ряде чисел, увлекая многих ученых.

Одним из самых горячих сторонников идеи «замарсианской» планеты стал молодой австрийский астроном Франц фон Цах, которому в то время едва исполнилось 18 лет. Ему пришлось более 10 лет уговаривать астрономов организовать систематические поиски планеты, пока, наконец, соответствующая договоренность не была достигнута в 1796 г. на астрономической конференции в городе Готе, где жил Цах. Пять человек, по выражению самого Цаха, образовали «отряд небесной полиции» с целью «выследить и поймать беглого подданного Солнца». Но сделать они ничего не успели, так как... «планета» была совершенно случайно обнаружена другим ученым.

Открытие пояса астероидов

В первую новогоднюю ночь XIX в. сицилийский астроном Джуппе Пиацци проводил в Палермо наблюдения положений звезд для составления своего звездного каталога. В созвездии Близнецов он вдруг заметил слабый звездообразный объект. В следующие ночи Д. Пиацци выяснил, что объект изменил свое положение по отношению к соседним звездам. Но еще много ночей следил он за странной «звездой», не веря, что это планета, пока болезнь не прервала его наблюдения. А потом найти объект Пиацци уже не смог. Он разослал астрономам сообщение о своем открытии, описал объект и просил поискать его, однако его так и не нашли.

Как раз в это время 23-летний немецкий математик К. Гаусс увлекся развитием методов обработки астрономических наблюдений. Свой метод наименьших квадратов, а также метод определения орбиты небесного тела по данным наблюдений, проведенным в три разных момента времени, он применил к сообщенным ему Пиацци положениям объекта. Гаусс получил, что орбита объекта не только лежит между орбитами Марса и Юпитера, но и что полуось орбиты точно совпадает с предсказанным Тициусом значением 2,8 а. е. Это была искомая планета. Пиацци назвал ее Церера Фердинанда.

Гаусс достаточно точно предвычислил координаты планеты, чтобы ее можно было найти снова. Оказалось, что она должна будет долго скрываться в лучах Солнца и лишь в сентябре 1801 г. станет вновь видна с Земли. Однако до самого Нового года мешала непогода, и только в новогоднюю ночь 1802 г. (в годовщину открытия) Ф. Цах, а затем Г. Ольберс отыскали Цереру (как стали называть ее позднее).

Церера, как и другие планеты, была холодной и светила отраженным от нее солнечным светом. Но как же слаб был этот свет! «Вечерняя звезда» Венера, да и некоторые другие планеты светили в сотни раз ярче. Оказалось, что между Марсом и Юпитером движется планета-«крошка» — планетоид, или астероид, как ее предложил называть В. Гершель.

28 марта 1802 г. немецкий врач Г. Ольберс, давно и увлеченно занимавшийся астрономией, вновь отыскивая Цереру в районе, предсказанном Гауссом, неожиданно обнаружил там совсем другую, новую планету, еще более слабую. Ольберс назвал ее Палладой, она двигалась по своей собственной орбите, сходной с орбитой Цереры.

Две планеты, хоть и маленькие, но на одном и том же расстоянии от Солнца? Это было непонятно. «Где тот прекрасный закономерный порядок, которому подчинялись планеты в своих расстояниях? — писал Ольберс Боде. — Мне кажется, еще рано философствовать по этому поводу; мы должны сначала наблюдать и определять орбиты, чтобы иметь верные основания для наших предположений. Тогда, может быть, мы решим или, по крайней мере, приблизительно выясним, всегда ли Церера и Паллада пробегали свои орбиты в мирном соседстве, отдельно одна от другой, или обе являются только обломками, только кусками прежней большей планеты, которую взорвала какая-нибудь катастрофа». Так Ольберсом была высказана его знаменитая гипотеза о разрыве планеты и образовании ее осколков — астероидов.

Ольберс решил сам проверить свою гипотезу. Изучив положение орбит Цереры и Паллады в пространстве, он обратил внимание на то, что эти орбиты сильно сближаются в двух   диаметрально   противоположных точках, которые видны с Земли в созвездиях Девы и Кита. «Если катастрофа произошла, — думал Оль-берс, — в одной из этих точек, то все осколки должны проходить через нее, и, следовательно, эти осколки нужно искать не по всему небу, а лучше всего в окрестно-

Рис. 1. Орбиты первых четырех астероидов — Цереры, Паллады, Юноны и Весты, лежащие  между орбитами Марса  и  Юпитера.

стях этих точек».

Третья «планетка», названная Юноной, была действительно открыта в созвездии Кита — 1 сентября 1804 г., ее там увидел К. Гардинг. Сам Ольберс вел поиски в созвездии Девы, и три года его терпеливых наблюдений увенчались успехом — 29 марта 1807 г. он открыл четвертую «планетку» — Весту , единственную из четырех, которую можно наблюдать невооруженным глазом.

В последующие почти 40 лет никаких открытий новых астероидов не было. Ольберс умер, так и не узнав, что между Марсом и Юпитером действительно движется огромное множество астероидов. Но они вовсе не проходят через место «пересечения» орбит первых четырех. Гипотеза Ольберса оказалась ошибочной. Это стало ясно спустя много лет.

В декабре 1845 г. в берлинских газетах появилось сообщение, что 8 числа бывший почтовый чиновник из Дрездена К. Генке открыл пятую малую планету  названную Астреей, а через 1,5 года— 1 июня 1847 г.— он же открыл еще одну, уже шестую по счету (Гаусс назвал ее Гебой). В том же 1847 г. американец Дж. Хемд обнаружил Ирис и Флору, и открытия астероидов последовали одно за другим. Поскольку астероиды обнаруживали на небе, как правило, в пределах довольно широкой полосы, тянущейся вдоль эклиптики и опоясывающей все небо, то отсюда и возникло название — «пояс астероидов».

К 1891 г. с помощью визуальных наблюдений на небольших телескопах было открыто уже 322 астероида.

 Огромное число астероидов открывали и вновь «теряли». Так, в одном только 1931 г. было открыто 398 астероидов, но 75% из них наблюдались лишь один-два раза, в связи с чем оказалось невозможным определение их орбит, а потому в разряд известных было зачислено в 1931 г. меньше 100 из 398 астероидов.

Первое время астероиды называли именами богинь, но затем им стали давать имена людей (как знаменитых, так и просто знакомых) и даже... океанских пароходов, любимых собак и кулинарных блюд.

В настоящее время астероиду сразу после его открытия присваивается предварительное обозначение, содержащее год открытия (например, 1937 НА), а потом, если его орбита станет хорошо известной, ему присваивается постоянный порядковый номер и название. Следит за этим Планетный центр в Цинциннати (США). В настоящее время число нумерованных астероидов приближается к 2000.

Долгое время одно из первых мест в мире по числу открываемых и наблюдаемых астероидов занимала советская астрофизическая обсерватория в Симеизе. Бывший директор этой обсерватории Г Н. Неуймин открыл свыше 400 астероидов, из которых более 60 получили- номера и названия. Среди астероидов, открытых русскими и советскими учеными, есть Москва, Владилена (названная в честь В. И. Ленина) и т. д.

Физические свойства  астероидов

Первые попытки измерить диаметры астероидов, используя метод прямого измерения видимых дисков с помощью нитяного микрометра,

 предприняли Уильям Гершель в 1802 году и Иоганн Шрётер в 1805. После них в XIX веке аналогичным способом проводились измерения наиболее ярких астероидов другими астрономами. Основным недостатком данного метода были значительные расхождения результатов (например, минимальные и максимальные размеры Цереры, полученные разными учёными, отличались в десять раз).

Современные способы определения размеров астероидов включают в себя методы поляриметрии, радиолокационный, спекл-интерферометрии, транзитный и тепловой радиометрии[13].

Одним из наиболее простых и качественных является транзитный метод. Во время движения астероида относительно Земли он иногда проходит на фоне отдалённой звезды, это явление называется покрытие звёзд астероидом. Измерив длительность снижения яркости данной звезды и зная расстояние до астероида, можно достаточно точно определить его размер. Данный метод позволяет достаточно точно определять размеры крупных астероидов, вроде Паллады[14].

Метод поляриметрии заключается в определении размера на основании яркости астероида. Чем больше астероид, тем больше солнечного света он отражает. Однако яркость астероида сильно зависит от альбедо поверхности астероида, что в свою очередь определяется составом слагающих его пород. Например, астероид Веста из-за высокого альбедо своей поверхности отражает в 4 раза больше света, чем Церера и является самым заметным астероидом на небе, который иногда можно наблюдать невооружённым глазом.

Однако само альбедо тоже можно определить достаточно легко. Дело в том, что чем меньше яркость астероида, то есть чем меньше он отражает солнечной радиации в видимом диапазоне, тем больше он её поглощает и, нагреваясь, излучает её затем в виде тепла в инфракрасном диапазоне.

Метод поляриметрии может быть также использован для определения формы астероида, путём регистрации изменения его блеска в процессе вращения, так и для определения периода этого вращения, а также для выявления крупных структур на поверхности. Кроме того, результаты, полученные с помощью инфракрасных телескопов, используются для определения размеров методом тепловой радиометрии.

Таким образом, в настоящее время имеются сведения об астероидах «всех рангов» — от крупных тел с массами в миллиарды миллиардов тонн до совсем мелких, которые могли бы уместиться на ладони. В поясе астероидов движутся и целые «тучи» пыли, свойства которой исследуются по косвенным признакам. Все это позволяет составить довольно полное представление о поясе астероидов.

Еще в 50-х годах советский астроном И. И. Путилин произвел подсчеты общего числа нумерованных (т. е. с хорошо известными орбитами) астероидов. Результат получился удивительным. Оказалось, что все астероиды, собранные вместе, уместились бы в кубике со стороной всего около 500 км! Чуть ли не половину объема заняли бы Церера с Вестой и Палладой. Еще 25% пришлось бы на долю Юноны с астероидами до 100-го включительно. Открытия следующих астероидов (все более мелких) приводили лишь к очень медленному возрастанию этого «объема» астероидного вещества, а после 1000-го по счету астероида рост их общего «объема» почти совсем прекратился. Неоткрытые астероиды, вероятно, так малы, что, несмотря на их огромное число, не смогут увеличить сколько-нибудь значительно этот «объем», а мелких частиц и пылинок, согласно оценкам, едва ли хватит, чтобы засыпать пустоты между астероидами, лежащими рядом в 500-километровом кубе.

К чему приводят малые размеры. По закону всемирного тяготения каждый астероид притягивает другие тела. Но как же слабо это притяжение! На астероиде довольно больших размеров (поперечником в 200 км) сила тяжести на поверхности в 100 раз меньше, чем на Земле, так что человек, оказавшись на нем, весил бы меньше 1 кг и едва ли почувствовал бы свой вес. Прыгнув на астероиде с высоты 10-этажного дома, он бы чуть ли не четверть минуты опускался на поверхность, достигнув скорости лишь около 1,5 м/с в момент «приземления». Вообще говоря, пребывание на астероидах мало чем отличается от пребывания в условиях полной невесомости.

Вследствие своих малых размеров астероиды имеют очень угловатую форму. Ничтожная сила тяжести на астероидах не в состоянии придать им форму шара, которая свойственна планетам и их большим спутникам. В последнем случае огромная сила тяжести сминает отдельные глыбы, утрамбовывая их.

На астероидах поперечником до 200—300 км из-за малого «веса» камня явление подобной «текучести» вовсе отсутствует, а на самых крупных астероидах оно происходит слишком медленно, да и то лишь в их недрах. На поверхности астероидов остаются без каких-либо изменений огромные горы и впадины, гораздо большие по своим размерам, чем на Земле и других планетах (средние отклонения в ту и другую сторону от уровня поверхности составляют около 10 км и более), что проявляется в

Неправильную форму у астероидов наблюдали и непосредственно в телескоп. Впервые это произошло в 1931 г., когда маленький астероид Эрос, двигающийся по очень экзотической орбите,  подошел к Земле на необычайно малое расстояние (всего в 28 млн. км). Тогда в телескоп увидели, что этот астероид похож на «гантель» или неразрешенную двойную звезду  было видно даже, что «гантель» вращается!

В январе 1975 г. Эрос подошел к Земле еще ближе — на расстояние 26 млн. км. Его наблюдали на большом отрезке орбиты, и это позволило увидеть Эрос буквально с разных сторон. Тщательный анализ результатов многочисленных наблюдений Эроса, проведенных на разных обсерваториях всего мира, привел к очень интересному открытию.

Земля и астероиды движутся в пространстве на разных орбитах вокруг Солнца   и   с   разной скоростью.

И хотя движение их по орбите происходит в одном направлении, нам с Земли кажется, что астероиды перемещаются на небе среди звезд то вперед (справа налево, когда они обгоняют Землю), то назад (слева направо, когда Земля обгоняет их). Этот различный характер движения астероидов тоже влияет на изменение их блеска: когда астероиды движутся по небу слева направо (Земля обгоняет их), период изменения блеска оказывается немного короче.

Интересно, что период изменений блеска астероидов довольно короток и почти одинаков — с интервалом значений от 2—3 до 10—15 ч. Что же заставило их так быстро вращаться? В свое время была выдвинута гипотеза о том, что не очень большие 'астероиды неправильной формы могут приобрести вращение под действием потоков «солнечного ветра» (частиц, выбрасываемых Солнцем), «дующего» уже в течение миллиардов лет. Как ни слаб этот «ветер», а все же он должен передавать астероидам какой-то импульс количества движения, который вследствие неправильной формы астероида неравномерно распределяется по астероиду с разных сторон от его центра тяжести. В результате появляется неравная нулю сила, равнодействующая тех сил давления, которые оказывает «солнечный ветер» на каждый 1 см2 поверхности астероида, и астероид начинает вращаться (сначала очень медленно, а- потом все быстрее).

Расчеты показывают, что некоторые астероиды (очень неправильной формы) могут раскрутиться «солнечным ветром» так сильно, что могут даже быть разорваны центробежными силами вращения. Однако для более крупных астероидов это объяснение не подходит, и приходится предположить, что они приобрели вращение еще в период своего образования.

Но может быть, колебания блеска обусловлены не неправильной формой, а «пятнистостью» астероидов (если разные участки поверхности астероидов сложены разным веществом)? Конечно, «пятнистость» астероидов возможна, и на их поверхностях могут, вероятно, существовать светлые и более темные участки (разного вещества). Однако одного лишь предположения о «пятнистости» мало, и, как было показано, с помощью только «пятнистости» характер вращения астероидов объяснить не удается.

Даже у одного из крупнейших астероидов — Весты, изменения блеска связаны не с «пятнистостью», а с ее неправильной формой. В 1971 г. наблюдения Весты с помощью электронно-оптических преобразователей показали, что последующие максимумы и минимумы блеска этого астероида слегка отличаются по величине, и вращение Весты происходит с периодом, вдвое большим, чем предполагали ранее— 10 ч 41 мин. Американский астрофизик Р. Тейлор, изучив особенности кривых блеска этого астероида, предложил следующую модель: Веста представляет собой трехосный сфероид, один из диаметров которого на 15% длиннее двух других. Как раз у его южного полюса, вдоль длинной стороны, тянется уплощенная область, которая простирается не дальше 45-го градуса широты и которую не видно со стороны северного полушария Весты. Эта область, полагает Тейлор, может быть огромным кратером ударного происхождения (диаметром чуть ли не в 400 км!).