Откуда берутся звездопады: как Солнце разрушает астероиды и формирует новые метеорные потоки на пути Земли

Наблюдая за ночным небом, люди часто видят метеоры — яркие вспышки, возникающие при сгорании космических частиц в атмосфере Земли. Астрономия связывает происхождение большинства регулярных метеорных потоков с кометами. Комета состоит из камня, пыли и большого количества льда. Когда ее орбита приближается к Солнцу, лед начинает переходить из твердого состояния в газообразное. Выделяющийся газ увлекает за собой частицы пыли, оставляя в космосе протяженный шлейф. Когда Земля пересекает этот шлейф, частицы попадают в атмосферу, и мы наблюдаем звездопад.

Однако со временем астрономы установили, что некоторые метеорные потоки не имеют связи с кометами. Их источником являются каменистые околоземные астероиды, которые практически не содержат льда. Долгое время оставалось неясным, каким образом сухое каменистое тело может непрерывно выбрасывать вещество в космос и формировать плотные потоки пыли. В современной астрофизике сформировались две основные гипотезы. Первая предполагает, что астероиды разрушаются из-за гравитационного воздействия планет во время тесных сближений. Вторая гипотеза указывает на экстремальный нагрев от Солнца, который физически разрушает структуру камня.

Чтобы определить, какой из этих процессов происходит чаще и формирует современную метеорную среду вокруг Земли, международная группа ученых провела исследование, изучив данные сотен тысяч метеоров.

Как ученые ищут следы разрушенных астероидов

Наблюдать процесс распада небольшого астероида в космосе напрямую с помощью телескопов крайне сложно. Эти объекты слишком малы и темны. Поэтому исследователи решили изучать конечный результат их разрушения — мелкие фрагменты, которые достигают Земли и сгорают в ее атмосфере.

Основой для исследования послужили базы данных четырех глобальных сетей видеомониторинга метеоров: GMN, CAMS, EDMOND и SonotaCo. Эти сети состоят из тысяч автоматических камер, направленных в ночное небо в разных точках планеты. Если один и тот же метеор фиксируется несколькими камерами с разных ракурсов, компьютерная программа вычисляет точную траекторию его полета в атмосфере. Зная скорость и угол входа частицы, ученые могут математически восстановить орбиту, по которой этот камень двигался в космосе до столкновения с Землей.

В ходе работы исследователи отобрали 235 271 орбиту метеоров. Из этого списка заранее исключили все объекты, относящиеся к известным кометным потокам. Задача состояла в поиске новых, ранее неизвестных групп частиц. Логика метода заключается в следующем: если астероид распался на части относительно недавно (в пределах последних десятков тысяч лет), образовавшиеся осколки не успеют равномерно распределиться по всей Солнечной системе. Они будут лететь в космосе плотной группой, двигаясь по практически идентичным орбитам. Находя такие группы среди огромного числа случайных, одиночных метеоров, ученые могут доказать факт недавнего разрушения родительского космического тела.

Проверка гипотезы гравитационного разрыва

В первую очередь исследователи проверили гипотезу приливного разрушения. Этот процесс происходит, когда астероид пролетает на очень близком расстоянии от крупной планеты, например, Земли или Венеры. Из-за разницы расстояний гравитация планеты притягивает ту сторону астероида, которая находится ближе к ней, значительно сильнее, чем противоположную. Возникает сила, которая растягивает объект. Если астероид представляет собой не цельный монолитный камень, а скопление фрагментов, удерживаемых вместе собственной слабой гравитацией, планета может разорвать его на части.

Компьютерные модели показывали, что если такие события происходят часто, в космосе должно быть много групп метеороидов, орбиты которых очень похожи на орбиты Земли и Венеры, а угол наклона этих орбит должен быть минимальным. Ученые применили статистические алгоритмы для поиска таких совпадений в базе из 235 тысяч орбит.

В результате, исследователи не нашли статистически значимых групп метеоров, которые можно было бы уверенно связать с недавним гравитационным разрушением. Максимальное число частиц, которые потенциально подходили под эти критерии, составило не более 53 штук из всего огромного массива данных. Это означает, что гравитационное воздействие планет земной группы не является главным источником образования метеорных потоков в наше время. Если астероиды и распадаются под действием гравитации, то их осколки теряют первоначальную орбиту и рассеиваются в пространстве гораздо быстрее, чем предполагали ученые.

Обнаружение нового потока и фактор солнечного тепла

Хотя следов гравитационного разрушения найти не удалось, алгоритмы зафиксировали другую отчетливую аномалию. В данных была обнаружена группа из 282 метеоров, которые двигались по очень схожим орбитам и формировали ранее неизвестный метеорный поток. В каталогах Международного астрономического союза он получил предварительное обозначение M2026-A1.

Самой важной характеристикой этого нового потока стала его орбита. Ближайшая к Солнцу точка этой орбиты (перигелий) находится на расстоянии всего 0.22 астрономической единицы от светила. Для сравнения: Земля находится на расстоянии одной астрономической единицы, а самая близкая к Солнцу планета, Меркурий, не приближается к нему ближе 0.31 астрономической единицы. Так что частицы обнаруженного потока подходят к Солнцу на экстремально малую дистанцию.

Характеристики этой орбиты прямо указывают на второй механизм разрушения астероидов — термомеханический распад. Когда каменистое тело приближается к Солнцу на расстояние в 0.22 астрономической единицы, температура на его освещенной стороне возрастает до сотен градусов. В то же время сторона, находящаяся в тени, остается очень холодной. Астероид постоянно вращается, из-за чего его поверхность регулярно нагревается и остывает.

Горные породы состоят из различных минералов. Разные минералы при нагревании расширяются с разной скоростью и в разном объеме. Из-за этого внутри породы возникает сильное физическое напряжение. Со временем материал не выдерживает, в камне появляются микротрещины. Начинается процесс эксфолиации — внешние слои астероида откалываются от основного тела.

Кроме того, при таких температурах меняется химический состав камня. Многие минералы содержат внутри своей структуры химически связанную воду или другие летучие соединения. При сильном нагреве эти вещества высвобождаются в виде газа. Давление газа изнутри расширяет микротрещины и помогает выталкивать отколовшиеся частицы пыли и камня в открытый космос. В результате астероид формирует пылевой хвост, который земные камеры фиксируют как регулярный метеорный поток.

Температурный барьер внутренней Солнечной системы

Открытие потока M2026-A1 стало прямым доказательством того, что тепловое разрушение происходит прямо сейчас. Но исследователи пошли дальше и решили проверить, как этот процесс влияет на все космическое пространство в долгосрочной перспективе. Для этого они проанализировали другую базу данных, содержащую орбиты 18 012 более крупных метеоров и метеоритов, которые формировались на протяжении миллионов лет.

В этой выборке ученые применили математические поправки, чтобы исключить искажения данных, связанные с чувствительностью камер. Анализ подтвердил существование явления, которое можно назвать температурным барьером или фильтром.

Данные показали, что на орбитах, которые не подходят к Солнцу ближе чем на 0.3 астрономической единицы, количество крупных фрагментов остается стабильным. Однако как только орбита пересекает эту невидимую границу и приближается к светилу, статистика резко меняется. Количество крупных каменистых осколков стремительно падает, а количество мелких частиц массой менее одного грамма аномально возрастает.

Это доказывает, что пространство вблизи Солнца активно перерабатывает материю. Крупные объекты просто не могут долго существовать на таких орбитах. Тепловое расширение, сжатие и внутреннее газовое давление постоянно разрушают большие камни, превращая их в мелкую пыль. Быстрее всего этому процессу подвергаются темные астероиды с высоким содержанием углерода.

Проведенное исследование вносит существенные коррективы в понимание эволюции космических объектов. Теперь достоверно известно, что для пополнения околоземного пространства метеорным веществом не обязательно нужны ледяные кометы или столкновения крупных тел. Резкие перепады температур и близость к Солнцу сами по себе являются мощной силой, способной медленно, но непрерывно разрушать астероиды, формируя потоки частиц, которые мы видим на ночном небе.

Источник:The Astrophysical Journal