Lucy in the Sky with Diamonds: космический аппарат «Люси» отправился изучать астероиды на орбите Юпитера

Космический аппарат NASA под названием Lucy 16 октября 2021 года стартовал в 12-летний полёт для исследования восьми астероидов Солнечной системы, из которых семь — «троянские» астероиды на орбите Юпитера и один расположен в Главном поясе между Марсом и Юпитером.

Самое популярное место пребывания астероидов в Солнечной системе — Главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Большинство метеоритов, приближавшихся к Земле, происходит оттуда. Но гравитационные силы от соседнего газового гиганта Юпитера приводят к тому, что в 374 миллионах километров от Юпитера на его орбите находятся его собственные два роя астероидов, как видно на рисунке. Один рой опережает Юпитер, другой отстаёт, и их называют соответственно «греками» и «троянцами» (что несколько нелогично с точки зрения мифологии); для астероидов обеих групп также используется обобщённое название «троянские астероиды». Такие астероиды есть и у других планет: пока что известны 28 у Нептуна, 9 у Марса, и по одному у Урана и даже Земли. Их существование следует из законов гравитационной механики: они расположены вблизи точек Лагранжа L₄ и L₅ гравитационной системы планета — Солнце. Таких особых точек пять (Лагранж предсказал их в конце XVIII века), и в них тело небольшой массы будет находиться в равновесии в поле тяжести двух вращающихся по орбите массивных тел. Три точки L₁ — L₃ расположены на линии, соединяющей планету и Солнце, а две оставшиеся — под углом 60° по обе стороны от неё. В этих точках свойственно скапливаться разнообразному космическому мусору, включая малые тела, также в их окрестностях размещают космические аппараты — как в точках системы Земля — Солнце, так и Земля — Луна. Аппарат Люси посетит обе группы троянцев Юпитера.

16 октября открылось стартовое окно для запуска аппарата, и утром в 5:34 этого же дня (в полдень по московскому времени) ракета Atlas V с «Люси» стартовала с мыса Канаверал. Через час аппарат отстыковался от второй ступени носителя, а ещё через 30 минут развернул 7-метровые солнечные панели. Первый сигнал на Землю корабль отправил со своей антенны уже в 6:40 местного времени.

Научных результатов от «Люси» придётся ждать несколько лет. Скорость аппарата сейчас составляет 108 тысяч км/час, и он пока совершает первый виток вокруг Солнца. В октябре 2022 года он вернётся к Земле для гравитационного манёвра (ускорения за счёт пролёта мимо Земли), и затем ещё раз — в 2024 году, и только после этого отправится по прямому назначению. По пути в 2025 году он пролетит мимо небольшого астероида Главного пояса, на котором опробует работу своих научных инструментов. В конце 2020-х годов он долетит до группы троянских астероидов, движущихся впереди Юпитера, то есть «греков», в котором намечено пять астероидов, затем вернётся к Земле в 2030 году для ещё одного гравитационного манёвра и полетит к двум астероидам из другой группы («троянцам»), которых достигнет в 2033 году. После этого аппарат продолжит курсировать между двумя группами астероидов с периодом в шесть лет.

За 12 лет полёта «Люси» должна пролететь как минимум возле восьми астероидов, первый из которых расположен в Главном поясе, а семь оставшихся относятся собственно к «троянцам» на орбите Юпитера. «Люси» пролетит на расстоянии до 960 километров от каждой астероидной цели; самый большой из астероидов, (617) Patroclus, имеет размер 113 километров, а самый маленький, (52246) Donaldjohanson — 4 километра (он и является тем единственным астероидом из Главного пояса, первым по счёту в списке посещений). Первый троянский астероид на пути — это (3548) Эврибат. Его диаметр 64 километра, и он обладает собственным семейством астероидов и даже спутником размером меньше километра. Пролёт возле него состоится 12 августа 2027 года. Полный список целей корабля можно посмотреть на странице миссии lucy.swri.edu.

Объяснить происхождение троянских астероидов только эволюцией протопланетного диска не удаётся. У них очень разные и неоднородные спектры отражённого света, что указывает на разнообразие их материалов. Кроме того, многие их орбиты наклонены, поэтому они не укладываются в сценарий их рождения из газопылевого облака, собранного Юпитером. Предполагают, что троянские астероиды сформировались из остатков пыли и газа, которые хаотично двигались по Солнечной системе на ранних этапах её образования.

Поэтому троянцы могут содержать частицы протосолнечной туманности, органических веществ и льда, а их изучение поможет узнать что-то новое про раннюю Солнечную систему. Например, раньше считалось, что через 650 миллионов лет после её образования она пережила этап гравитационной неустойчивости, при котором был каким-то образом нарушен изначальный порядок планет-газовых гигантов из-за резонансного взаимодействия на орбитах. В частности, при этом Плутон и подобные ледяные тела были выброшены за пределы последней планетарной орбиты, то есть в современный пояс Койпера. Теперь астрофизики ставят эту модель под сомнение — такое событие произошло слишком поздно, и при нём не выжили бы на своих местах уже сформировавшиеся внутренние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Поэтому «гравитационный шторм» отодвинули до отметки 100 миллионов лет после образования Солнечной системы. Исследования троянцев как раз могут подтвердить или опровергнуть эту теорию.

Люси проверит, не являются ли троянские астероиды остатками от ранней Солнечной системы, которые притянуло во время этих гравитационных потрясений из дальних окрестностей за орбитой Нептуна. Троянцы также могут подсказать механизмы формирования планет из газа и пыли: если их текстура такая же рыхлая, это станет свидетельством того, что схлопывание газопылевых облаков — стандартный сценарий для планетезималей. Также аппарат будет фотографировать поверхность астероидов и считать на них кратеры, для чего на нём установлены две камеры — мультиспектральная и камера с высоким разрешением, а также два спектрометра для видимого и инфракрасного диапазона. Проект станет первым космическим кораблём, который слетает к астероидам в этом регионе, а также первым совершит облёт Земли со стороны внешней части Солнечной системы.

Трансляцию запуска «Люси» можно посмотреть на канале NASA. Ниже — запись подкаста на одном из русскоязычных астрономических youtube-каналов.