Asteroidy

Leonard Kornoš

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK, Bratislava

UTV 2019/2020, 13. 02. 2020

Motivácia výskumu

• mapovanie priestoru Slnečnej sústavy

• štúdium dynamiky – Newton, (Einstein)

matematické metódy

určenie hmotnosti Slnka, veľkosti astronomickej jednotky,

stredný slnečný deň, ...

zvláštne konfigurácie telies (Hilda, Trójania, koorbitálne)

negravitačné efekty

štúdium fyzikálnych vlastností, chemické zloženie

• blízkozemské asteroidy

nebezpečenstvo

využitie

• vznik a vývoj Slnečnej sústavy

Asteroidy (malé planéty, planétky)

1.1.1801 Giuseppe Piazzi (Palermo) objavil prvý asteroid,

Ceres medzi Marsom a Jupiterom – planéta ?

Dnes poznáme viac ako 932 765 dráh asteroidov (febr. 2020)

z toho 543 334 je očíslovaných (febr. 2020)

dobre definovaná dráha

z nich viac ako 22 023 je pomenovaných

napr. Pluto (134 340) (trpasličia planéta)

22 122 blízkozemských asteroidov (febr. 2020)

Asteroidy – pôvod

Plynno-prachový oblak zo začiatku vzniku Slnečnej sústavy

akrécia zárodkov planét

vzájomné kolízie

Existujú 2 hlavné oblasti výskytu asteroidov v Sl. sústave:

a) Hlavný pás asteroidov (nevznikla planéta)

b) Edgeworthov – Kuiperov pás

koncentrácie sú spojené s migráciou planét

Jupiter – Saturn a Urán - Neptún

dve úplne odlišné skupiny zložením a fyzikálnymi vlastnosťami

- kamenné

- ľadové

Asteroidy v Slnečnej sústave

Ceres – prvý objav - 1.1. 1801 - Giuseppe Piazzi

pozorovaný 41 nocí, prešiel na dennú oblohu

patrí do oblasti medzi Marsom a Jupiterom

chýbajúca planéta?

Carl Fridrich Gauss

• výpočet dráhy z troch polôh

• geniálne skrátenie výpočtu

• metóda najmenších štvorcov

na konci r. 1801 Ceres znovu objavený

Typy pozorovaní

• optické

astrometria

fotometria – svetelné krivky → rotácia

viacfarebná fotometria – špeciálne filtre

polarimetria – povrchové vlastnosti

• radar

• infračervené pozorovania

• družicové pozorovania a výskum in situ

Astrometria

• získavanie presných polôh

• výpočet dráh

• Hlavný pás

• blízkozemské asteroidy

• podklad pre vesmírne misie

• negravitačné efekty

(žiarenie Slnka !)

Fotometria asteroidov

• rotačná perióda

• tvar asteroidu

• poloha pólu

• precesia osi

• satelit – obežná doba

Rotačné krivky asteroidov

(1509) Esclangona

P = 3,25 h

(25068) 1998 QV88

P = 41,18

Radarové pozorovania

Arecibo – dosah do 0,3 AU

Portorico, anténa 300 m

Goldstone – do 0.14 AU

California, anténa 70 m

Binárny asteroid 2006 DP14

Tvar asteroidu (4179) Toutatis

Radarové pozorovania

Elektromagnetické spektrum

Asteroid Euphrosyne – IR

Príklady družicového výskumu

Sonda Hayabusa pri asteroide Itokawa

Eros

cca 16 km

veľký impakt, úlomok?

NEAR NASA

Dnes – 15 – 20 % asteroidov má mesiačik

Sonda Galileo, 1993

Lutetia

priemer ~100 km

krátery (45 km)

bohatý na kovy (ale nie na povrchu)

Najstarší kráter 3.6 miliardy

rokov pruhy – nejaké globálne procesy

Prelet družice Rosetta

10. 7. 2010, 15 km/s

Rosetta, ESA

asteroid Itokawa – suťovisko balvanov

JAXA

535 x 294 x 209 m

Itokawa

• niečo takéto sme ešte nevideli (neskôr bude Bennu, Ryugu)

• nejaký krater ?! nie

• prach, štrk, úlomky

• reakumulované vrstvy (možno kvôli slapom od Zeme)

– zmenený povrch

• sonda Hayabusa,JAXA, 2005, odber malej vzorky prachu

• dôkladný prieskum z orbity okolo asteroidu

• môže byť asteroid zdrojom meteoroidov? (smerovaných do

atmosféry Zeme?)

Itokawa – jemná zrážka v minulosti

Kombinácia pozemských pozorovaní s dátami z japonskej družice

- rotácia asteroidu a jej spomalenie za 10 rokov

- veľmi presný tvar asteroidu

Zloženie a typy asteroidov

• C - bohaté na uhlík (carbonaceous) ~ 70% (tmavé)

• S - kamenné (stony, silicate) ~ 17% (svetlejšie)

• M - metalické (metalic) ~ 10%

• kremičitany

• prímesy kovov (železo, horčík, ...)

• Fe - Ni jadro – len najväčšie

• magmatický materiál – V-typ (Vesta) – z diferencovaných telies, šokovo metamorfovaný materiál – zrážky

• celkový trend: s rastúcou vzdialenosťou od Slnka od jasnejších po viac tmavé, viac do červena

obsah ľadu sa zvyšuje

viac primitívny, pôvodný materiál

• povrch – regolit – malé úlomky, prach

• aj neaktívne jadro kométy sa považuje za asteroid

Typy asteroidov

Je mixovanie typov, ale vidieť trend so vzdialenosťou (a teplotou) od Slnka

Zloženie asteroidov rôznych typov

a súvis s meteoritmi

Zloženie asteroidov rôznych typov

a súvis s meteoritmi

2011 MD – len 12 000 km od povrchu

6 m priemer

1 g/cm3 – porézny - suťovisko

253 Mathilde, 1.3 g/cm3

Porézne asteroidy

Väčšina telies v Hlavnom páse prešla zrážkovou históriou

Vnútorná Slnečná sústava

a ~ 2.1 – 3.3 AU

e ~ 0,05 – 0,4

i ~ 0° – 30°

P ~ 3 – 6 rokov

sklo

n d

ráh

y

vzdialenosť od Slnka

NEA MBA Hilda Trójania

sklo

n d

ráh

y

vzdialenosť od Slnka

NEA MBA Hilda Trójania

Rezonancie – Kirkwoodove medzery

• celková hmotnosť MBA – cca 4% hmotnosti Mesiaca

– Mesiac – cca 1.2% hmotnosti Zeme

• 1 Ceres, 4 Vesta, 2 Pallas, and 10 Hygiea ~ 50% hmoty MBA

Ceres – 1/3 hmoty MBA, 950 km, trpasličia planéta

Hmotnosti asteroidov v MBA

Rodiny asteroidov

• asteroidy na podobných dráhach, spoločný dynamický priestor

• vznik zrážkou dvoch telies a ich rozpad na viacero častí

• náraz menšieho telesa do veľkého, ktoré sa nerozpadlo • Vesta, Pallas, Hygiea

• do ich rodín patrí niekoľko malých telies

• rodiny sú staré stovky miliónov rokov

• v nich aj mladšie zrážky – milióny rokov – prachové pásy

viditeľné infra-družicami

• existujú ďalšie zoskupenia, ktoré nie sú výsledkom zrážok

• dynamické rodiny – gravitačné pôsobenie planét, rezonančné javy

• napr. Hungaria, Trójania, ...

Rodina Koronis

• zrážka dvoch väčších telies

• 2 miliardy rokov

• dva smery osí rotácie

• ~ 300 členov

• najväčší - 41 km

(208) Lacrimosa

zaujímavé, že si zachovali

sklony rotačných osí

41 km

Dynamické zoskupenia telies

hlavná časť MBA (červená ) – 93% asteroidov

Hungaria Hilda Trójania

sklo

n d

ráh

y

Ceres – Vesta

Vesta - geológia

• ~ 500 km

• nie je v hydrostatickej

rovnováhe

• je diferencovaná

• Ni-Fe jadro ~ 220 km

• kamenný plášť

• kôra, vyliate roztavené

horniny - bazalty

• veľmi suchý asteroid

Dawn, NASA

Rheasilvia

Rheasilvia – 1 miliarda rokov

• priemer 500 km

• stredový hrot ~ 20 km

Veneneia - 2 miliardy

• priemer 400 km

vytvorila sa rodina

– Vestoidy

aj meteority na Zemi

Brázdy pozdĺž rovníka

Pruhy – dôsledok veľkej zrážky (tlak)

zrážka na hranici rozbitia asteroidu

Dawn, NASA

Dawn, NASA

• ~ 950 km

• je v hydrostatickej rovnováhe

• je čiastočne diferencovaný

• jadro kremíkove ~ 2.5-2.9 g/cm3

• jadro len čiastočne dehydrované

• plášť z vodného ľadu v hrúbke 100 km

• pravdepodobne aj prchavé látky

• tenká prachová kôra

• slabá atmosféra z vodnej pary

Occator Crater

•

• asi 130 svetlých miest

• obsahuje soli – impakty?

• Mg, Na

• amoniak v povrchovej vrstve?

• hydrotermálne procesy?

• MgSO4·6H2O

• Na2CO3

3

Dawn, NASA

Dawn

Ahuna Mons

Ahuna Mons

• výška cca 4 km, šírka 17 km

• pravdepodobne ľadový vulkán

– voda vyviera a mrzne

– bohatá oblasť na Na2CO3

• málo pevný materiál, pod vlastnou váhou sa bortí

Kométy v hlavnom páse

• vznik kometárnej aktivity:

bombardovanie malými úlomkami – sublimácia ľadu pod

povrchom

rozpad vďaka zrýchlenej rotácii

náraz iného telesa – len prachová zložka

prvý objekt Elst–Pizarro v r. 1979, dnes 12 objektov

možný zdroj vody na Zemi – pomer deutérium/vodík

P/2013 R3

HST NASA

Strata materiálu rotáciou P/2013 P5

zrážka – len prach

Asteroidy v Slnečnej sústave

Mauna Kea, Hawaii

David Jewitt

Jane Luu

1992 QB1

Transneptúnické objekty

Transneptútické objekty

• prvý nájdený objekt 1992 QB1

• dnes ~ 1500 objektov

• prevažne ľadové telesá

voda, amoniak, metán, na Plute najmä dusík

hustoty menej ako 1 g/cm3

ťažko sa hľadajú – pomalý pohyb po oblohe

Edgeworthov - Kuiper pás

a = 30 - 50 AU

malé sklony a excentricity

Pluto, Haumea, Makemake – trpasličie planéty

modré – cubewanos

červené – rezonancie s Neptúnom, najmä 1:2

sivé – rozptýlený disk

Každý z nich má vlastný príbeh a dopĺňa mozaiku histórie Sl. s.

• trpasličia planéta (dvojitá planéta), pravdep. vzájomný impakt

• P = 248 rokov, a = 40 AU, e = 0,25, i = 17°

• objav v r. 1930

Pluto a Cháron

New Horizons, NASA

Pluto – Cháron

Pluto

ľadové teleso

~ 2300 km

povrch dusík 98%

s prímesou metánu a CO

hustota cca 2 g/cm3

New Horizons, NASA

New Horizons, NASA

Modré oblasti – vodný ľad New Horizons, NASA

spodná časť srdca

• metánová oblasť – krátery

• svetlá časť – kašovitý pevný dusík, bez kráterov

• hory ľadu pokryté metánom plávajú na mori pevného

dusíka

• na detailných záberoch vidieť akoby prúdy,

• pohyb hore, dole

Haumea

• trpasličia planéta - model

• rotácia 4 h – rýchla rotácia

• pretiahnutý tvar, 2100 km

• odhad hustoty → veľkosť

• 2.6 g/cm3 takmer kamenný

• zo spektier – ľadový povrch

• model ľadová kôra a vnútro

kamenné?

• zrážka? málo pravdep., ale?

• má dva mesiace – úlomky po zrážke?

• podozrenie na prstenec

Makemake

• veľkosť cca 1400 km

• spektrum veľmi podobné Plutu

t.j. metán na povrchu a trochu ľadu

• metán je podstatne výraznejší

• uvažuje sa o metánových doskách

• iba druhé známe teleso s metánom

• atmosféra je slabá alebo žiadna

(slabšia gravitácia)

Ultima Thule, (486958) Arrokoth

Kontaktné binárne teleso

Kopce, žľaby, prepadliny, tmavé a svetlé oblasti