Самые быстро вращающиеся астероиды, скорее всего, имеют луны

Двойные астероидные системы, в которых большой астероид вращается вокруг меньшего спутника, являются растущей областью интереса. В последние годы сюда вошел астероид Дидим, околоземный астероид (NEA) диаметром 765 метров с орбитальным компаньоном (Диморфос). Этот спутник был целью теста двойного астероида (DART), кинетического ударника, разработанного для проверки перспективной методики планетарной обороны. Похожие двойные были обнаружены в широком спектре популяций малых тел в Солнечной системе и характеризуются обсерваториями и космическими аппаратами.

На сегодняшний день обнаружено 13 астероидов диаметром более 100 км, у которых подтверждены спутники. Интересно, что спутники астероидов обычно находятся вокруг тех, которые быстро вращаются и имеют вытянутую форму. Предыдущие модели предполагают, что эти спутники могут быть созданы в результате ударов, но многое остается неизвестным о том, как появились эти системы. Объединив моделирование ударов, команда смогла отследить, как вращение и форма связаны с обстоятельствами столкновения.

Исследованием руководил Кевин Дж. Уолш из Юго-западного исследовательского института (SwRI) в Боулдере (штат Колорадо, США). К нему присоединились исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHUAPL), Обсерватории Лазурного берега, Карлова университета, Отделения космических исследований и планетарных наук Бернского университета и Токийского университета. Статья, описывающая выводы его команды, размещено на сервере препринтов arXiv и находится на рассмотрении для публикации в Astrophysical Journal Letters.

Астероиды по сути являются материалом, оставшимся от формирования Солнечной системы примерно 4,6 миллиарда лет назад. Поэтому изучение двойных астероидных систем может предоставить важную информацию относительно истории столкновений различных популяций астероидов. Изменения в орбитальных свойствах спутников также могут дать представление о внутренних свойствах первичного объекта. Аналогичным образом, различия в двойных свойствах между классами астероидов могут дать представление о внутренних свойствах различных типов крупных астероидов и процессе их формирования.

Общепризнано, что удары ответственны за двойные астероидные системы, поскольку столкновения неизбежны для крупных астероидов. Кроме того, исследования астероидов Главного пояса, таких как Церера и Веста (выполненные космическим аппаратом Dawn в период с 2011 по 2018 год), отметили ударные кратеры и бассейны. Предыдущие исследования, которые моделировали удары астероидов, разрушение и повторное накопление, показали, что образование спутников является возможным следствием. 

«Под «ударом» я просто подразумеваю, что большой астероид сталкивается с каким-то меньшим астероидом. Он образует большой кратер, и часть выброшенных обломков застревает на орбите. Концепция здравая, как мы знаем, большие астероиды постоянно сталкиваются. Мы также знаем, что некоторые сталкиваются так сильно, что буквально распадаются — мы видим это в больших семействах астероидов, которые имеют очень похожие орбиты и идентичные физические свойства. Однако модели никогда по-настоящему не объясняли, почему выброс просто не возвращается и не поражает большой астероид. Именно это, согласно простой физике, должно происходить, если целью является большой сферически симметричный объект, а кратер относительно небольшой», - сказал Уолш.

Исследования показали, что свойства спутников астероидов сильно зависят от размера первичного объекта. Например, астероиды диаметром более 100 км обычно имеют небольшие спутники (<0,1 размера первичного объекта). Кроме того, пять из 13 известных систем имеют несколько спутников, а 130 Elektra имеют три. Между тем, вокруг астероидов диаметром ~10 и 100 км наблюдается меньше спутников, а у астероидов диаметром более ~300 км их, по-видимому, нет.

«Что действительно привлекло наше внимание, так это несколько вещей: во-первых, все астероиды со спутниками были вытянутыми и НЕ сферическими, а во-вторых, все они вращались довольно быстро», — сказал Уолш. «Мы также заметили, у каких астероидов не было спутников, а это большинство из тех, у которых были действительно большие семейства астероидов, которые могли бы освободиться в результате огромных столкновений. Эти данные в совокупности показали, что «столкновений» недостаточно для объяснения вещей, но нам нужно понять, какие типы столкновений и ключевой механизм привели к тому, что некоторые выбросы стали спутниками, а некоторые — вырвались и стали частью более крупного семейства астероидов».

Для своего исследования команда провела моделирование ударов астероидов, что привело к широкому диапазону форм после удара. Они опирались на гидродинамический код, который моделирует большую ударную волну и начальное разрушение целевого объекта. За этим последовал код гранулярной динамики N-тел, который имитировал гравитацию новых фрагментов, то, как они взаимодействовали друг с другом, и результирующую форму и вращение первичных частиц после удара. Наконец, они провели долгосрочное моделирование, чтобы увидеть, как более мелкие фрагменты вращались вокруг своих первичных частиц с течением времени.

В конечном итоге их результаты показали корреляцию между образованием спутника и формой и вращением самого крупного оставшегося остатка. 

«Они показали, что дело не в том, насколько велики/энергетичны удары, а в угловом моменте (от вращения цели до удара или приложенного вращения от косого удара), который может привести к образованию основной частицы странной формы и кучи спутников на стабильных орбитах. Мы также смогли копнуть глубже и выяснить, откуда, скорее всего, взялся материал внутри родительского тела, и обнаружили, что обычно все это располагалось на глубине 10–20 км», - объяснил Уолш.

Эти последние результаты особенно значимы, поскольку они предсказывают, как наблюдение и изучение спутников астероидов даст ценную информацию о материале, находящемся глубоко внутри их основных тел. Поскольку внутренняя часть астероида естественным образом защищена от солнечной и космической радиации и вакуума космоса, ученые будут изучать материал таким, каким он был, когда Солнечная система еще формировалась. Кроме того, их исследование проясняет многие оставшиеся без ответа вопросы об этой менее изученной популяции астероидов.

«Это объясняет, почему мы не видим спутники вокруг каждого крупного астероида (они все часто подвергаются ударам!) и почему мы не видим их вокруг родительских астероидов с огромными семействами астероидов», — сказал Уолш. «Это также помогает нам понять генетическую связь между первичным объектом и спутником. Наконец, это может помочь нам глубже искать больше спутников, которые еще не были обнаружены, поскольку теперь мы знаем, какими должны быть ключевые свойства первичного тела».

Несколько космических миссий запланированы на ближайшее будущее, которые будут встречаться с двойными астероидами, чтобы узнать больше о происхождении и эволюции Солнечной системы. Эти миссии также предоставят больше информации об орбитальной механике популяций астероидов, что поможет информировать планетарную оборону. Кроме того, ожидается, что такие объекты, как обсерватория Веры К. Рубин, значительно увеличат список систем-кандидатов в ближайшие годы.