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Trojanische Gastwanderungen

Abb. 1. Asteroid 2010 TK7 (eingekreist in grün), der erste terrestrische "Trojaner". Andere Punkte sind meist Sterne und Galaxien weit jenseits unseres Sonnensystems. Das Foto wurde vom Orbital-Infrarot-Teleskop WISE (NASA) im Oktober 2010 bei einer Wellenlänge von 4,6 μm aufgenommen. Bild © NASA / JPL-Caltech / UCLA von www.nasa.gov

Drei kanadische Astronomen haben einen kleinen Planeten entdeckt, den sie für einen zuverlässigen Kandidaten für den Titel des ersten erdnahen Asteroiden-Trojans halten. Dies wurde in einem Artikel von Paul Wigert, einem Professor an der Universität von Western Ontario, und seinen beiden Co-Autoren, die Ende Juli in der Zeitschrift erschien, berichtet Natur.

In den letzten Jahren haben Planetenforscher der Suche nach Asteroiden, die um die Sonne herum zur Erde kreisen, mehr Aufmerksamkeit geschenkt (so dass die mittlere Winkelgeschwindigkeit ihrer Umlaufbahn mit der der Erde übereinstimmt – in der Sprache der Himmelsmechanik ist dies eine 1: 1 Resonanz): vgl Co-Orbitalkonfiguration. In der wissenschaftlichen Literatur hat sich der Name Earth Coorbital Asteroids (ECA), oder einfach Coorbitals – Co-Orbitale erdnahe Asteroiden oder Co-Koordinaten, an sie gehalten.

Die erste Koordinate wurde 2001 eröffnet. Bisher gehörten alle bekannten Vertreter dieser Familie zu zwei Gruppen – Quasi-Satelliten (Quasi-Satelliten) und Hufeisen-Orbitern ("Körper mit hufeisenförmigen Umlaufbahnen", Horseshoe Orbit).Ein Quasi-Satellit (oder Quasi-Satellit) umkreist die Sonne in einer Ellipse, in der sich unser Planet befindet. Ein einfacher hufeisenförmiger Orbiter (Abb. 2) befindet sich zuerst auf der äußeren Seite der Erdumlaufbahn, dann kreuzt er ihn und macht eine Rückkehrbewegung in seinem inneren Bereich und beschreibt schließlich das Hufeisen – daher der Name.

Abb. 2 Ein einfacher Hufeisen-Orbiter befindet sich zuerst auf der äußeren Seite der Erdumlaufbahn, dann kreuzt er und macht eine Rückkehrbewegung in seinem inneren Bereich und beschreibt schließlich ein Hufeisen – daher der Name. Abb. von www.astro.uwo.ca

Der Horseshoe-Orbiter-Asteroid kann sich auch entlang einer komplexeren Flugbahn bewegen, die sich spiralförmig in die Umlaufbahn der Erde bewegt und gleichzeitig periodisch die Richtung wechselt, wobei wiederum etwas wie ein Hufeisen im Weltraum skizziert wird. Der Radius der Spulen kann so stark ansteigen, dass der Asteroid einen Teil der Zeit im quasi-Satellitenmodus bewegt, dh seine Umlaufbahn deckt gleichzeitig sowohl die Sonne als auch die Erde ab. Dies ist der Asteroid 2002 AA29, der im Januar 2001 entdeckt wurde.

Während des ersten Jahrzehnts unseres Jahrhunderts wurden fünf Co-Orbital-Nachbarn auf der Erde entdeckt. Ihre Umlaufbahnen sind ziemlich instabil, so dass die geschätzte Zeit ihres Aufenthalts in der Nähe der Erde nur Hunderte von Jahren beträgt.Es wird angenommen, dass dies entweder Fragmente des Mondes sind, die durch Meteoriteneinschläge von seiner Oberfläche getroffen wurden, oder Asteroiden aus dem Hauptgürtel, die in Richtung Sonne gewandert sind.

Neu entdeckter Asteroid 2010 TK7 gehört keiner dieser Gruppen an. Es gehört zu einer anderen Klasse von Koordinatoren, die historisch zuerst geöffnet wurde und für lange Zeit allgemein als einzigartig galt. Bis zum Ende des zwanzigsten Jahrhunderts umfasste es nur zahlreiche kleine Planeten, die an die Jupiterbahn gebunden waren. In den letzten 15 Jahren wurden vier solcher Asteroiden in der Nähe des Mars und acht weitere gefunden – in der Nähe der Umlaufbahn von Neptun. Nun wurde in der Nachbarschaft der Erde etwas Ähnliches gefunden – die Wahrheit, bisher nur vermeintlich.

Asteroiden, die diskutiert werden, sind Astronomen nur 105 Jahre alt bekannt. Sie wurden jedoch viel früher vorhergesagt – in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Die Möglichkeit ihrer Existenz ergibt sich aus der klassischen Arbeit des Präsidenten der Berliner Akademie der Wissenschaften, Joseph Louis Lagrange, aus dem Jahr 1772. Nach Leonard Euler suchte er nach exakten Lösungen für das berühmte Drei-Körper-Problem von Isaac Newton.

Im Allgemeinen erfordert es, die Bewegung von drei Körpern (streng genommen drei materielle Punkte) zu bestimmen, die zueinander gemäß dem Gesetz der Welt angezogen werden.Im Gegensatz zu dem ähnlichen Zweikörperproblem (dem bekannten Keplerschen Problem) hat dieses Problem keine gemeinsame analytische Lösung. Es kann jedoch vereinfacht werden, indem angenommen wird, dass die Masse eines Körpers im Vergleich zu den anderen vernachlässigbar ist. Im Allgemeinen ist es selbst mit einer solchen Aussage nicht gelöst, aber es hat strenge besondere Lösungen, von denen drei von Euler 1767 und zwei weitere, fünf Jahre später, von Lagrange gefunden wurden.

Alle diese Lösungen beschreiben Konfigurationen, in denen die drei Körper relativ zueinander ruhen (das heißt, die Abstände zwischen ihnen bleiben konstant). In dem Fall, dass Euler in Betracht gezogen hat, sind sie auf der gleichen geraden Linie, die sich natürlich im Raum bewegt. In der von Lagrange gefundenen Lösung befinden sich diese Körper immer an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. Eulers Lösung ist instabil – eine beliebig kleine Verschiebung eines Körpers aus einer Gleichgewichtsposition zerstört irreversibel die gesamte Konfiguration.

Eine andere Sache – die Entscheidung von Lagrange. Ein Körper mit einer vernachlässigbaren Masse kehrt aus Verschiebungen mit einer nicht zu großen Amplitude in seine Gleichgewichtsposition zurück, wenn die Massen der anderen Körper bestimmte Verhältnisse erfüllen.Diese Beziehungen sind offensichtlich erfüllt, solange die Masse eines dieser Körper die Masse des anderen um mindestens zwei Größenordnungen übersteigt. Eine solche Anforderung mit einem großen Sicherheitsspielraum ist erfüllt für den Fall, dass der massivere Körper die Sonne und der weniger massive Körper einer der Planeten ist. Daraus folgt, dass im Prinzip jeder Planet des Sonnensystems leichte Begleiter haben kann, die ihn in irgendeinem Punkt von Lagrange begleiten.

Die von Euler und Lagrange gefundenen Gleichgewichtspositionen werden als Librationspunkte bezeichnet. Euler-Punkte sind mit L bezeichnet1L2 und l3, Lagrange – L4 und l5. Im "Sonne-Erde" -System koexistieren die ersten beiden Librationspunkte eng mit unserem Planeten, einer außerhalb seiner Umlaufbahn und der andere im Inneren (Abb. 3). Punkt L3 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Sonne (mit anderen Worten, wo die Erde in sechs Monaten sein wird) und ist etwas in seiner Richtung verschoben. Lagrange Libration Punkte bewegen sich in der Erdumlaufbahn (unter der Annahme, dass es sich um einen regelmäßigen Kreis handelt), L4 vor der Erde und L5 – hinterher. Natürlich beträgt der Winkelabstand zwischen der Erde und einem der Lagrange-Punkte 60 Grad.

Abb. 3 Lagrange Punkte im System von zwei Körpern, wenn ein Körper viel massiver ist als ein anderer (zum Beispiel im System "Sonne-Erde"). Abb. von en.wikipedia.org

Lagrange Libration Punkte für mehr als ein Jahrhundert blieb eine mathematische Abstraktion. Es wurde von zwei Wissenschaftlern verwirklicht – Maximilian Wolf, Professor für Geophysik an der Universität Heidelberg, und Karl Charlier, Direktor der Sternwarte an der Universität Lund. 1891 war Wolf der erste auf der Welt, der mit Hilfe der Fotografie nach kleinen Planeten suchte. Mit seiner Hilfe fand er insgesamt 250 Asteroiden.

Am 23. Februar 1906 fotografierte er einen sehr schwachen Asteroiden, der sich fast auf einer Kreisbahn des gleichen Radius wie die Jupiterbahn vor dem gigantischen Planeten um 55,5 Grad bewegte. In der Liste der Asteroiden erhielt er die Nummer 588 und wurde Achilles genannt. Charlier war der erste, der zu dem Schluss kam, dass Achilles in der Nähe des Jovianischen Librationspunktes L schwingt4. Bald darauf wurde der Asteroiden Patroklos und nahe dem Punkt L 5 – Hector entdeckt. Da alle von ihnen nach den Helden des Trojanischen Krieges benannt wurden, die in der homerischen Ilias beschrieben werden, wurden die Asteroiden dieser Familie als Trojanische Asteroiden oder "Trojaner" bekannt (siehe auch: Trojaner).Mit der Zeit stellte sich heraus, dass das "trojanische" Gefolge von Jupiter ziemlich zahlreich ist. Anfang der neunziger Jahre wurden rund 300 Trojaner um die Jupiter-Umlaufbahn entdeckt, und jetzt wissen sie bereits über fünftausend.

Das reale Verhalten der Jupiter "Trojaner" (siehe Jupiter-Trojaner) ist viel komplizierter als das Lagrange-Bild. Ihre Dynamik wird nicht mehr durch die Lösungen des Dreikörperproblems beschrieben – schon deshalb, weil diese Asteroiden die Anziehungskraft von Saturn spüren. Sie bewegen sich in relativ stabilen elliptischen Bahnen, die unterschiedlich zur Ekliptikebene geneigt sind. Der Winkelabstand zwischen ihnen und Jupiter variiert in sehr weiten Grenzen, die von 45 Grad bis zu Hunderten reichen.

Jetzt können Sie über den Asteroid 2010 TK sprechen7. Zunächst ist anzumerken, dass das Problem der erdnahen Trojaner in theoretischen Arbeiten zur Himmelsmechanik immer wieder berücksichtigt wurde. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigten, dass diese Asteroiden schwer von der Erdoberfläche zu bemerken sind, da sie nur gelegentlich am Nachthimmel erscheinen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass diese Aufgabe vom Orbital-Infrarot-Teleskop WISE (Wide-field Infrared Survey Observer) übernommen wurde, das am 14. Dezember 2009 in den erdnahen Weltraum gelangte.Er arbeitete nur zehn Monate, von Januar 2010 bis Oktober. Während dieser Zeit nahm er anderthalb Millionen Fotos und fand etwa 35 Tausend bisher unbekannte Asteroiden und Kometen, darunter über fünfhundert erdnahe Weltraumobjekte. Unter ihnen war der Asteroid 2010 SO16, ein neuer Kandidat für Hufeisen-Orbiter, der ebenfalls von der Weigert-Gruppe entdeckt wurde. Die Hauptleistung des WISE-Teleskops ist jedoch die 2010 TK7. Ein vollständiger Bericht über die Ergebnisse dieser Beobachtungsstelle wird jedoch erst im Frühjahr 2012 veröffentlicht, so dass man auf weitere Überraschungen hoffen kann.

Paul Wigert und seine Kollegen entdeckten einen neuen Asteroiden, als sie im vergangenen Herbst ein Archiv von Fotos sahen, die mit der WISE-Teleskopausrüstung aufgenommen worden waren. Zunächst hatten sie nur sechs Tage lang Daten über ihre Winkelkoordinaten, die noch nicht mit absoluter Sicherheit sagen konnten, dass es sich um den gefundenen Trojaner handelte. Im April dieses Jahres erschien der Asteroid jedoch am Nachthimmel und wurde von einem kanadisch-französischen 360-Zentimeter-Teleskop in Hawaii (Kanada-Frankreich-Hawaii-Teleskop) registriert. Diese Beobachtungen machten es möglich, die Umlaufbahn so zu verfeinern, dass die Weigert-Gruppe die Eröffnung des ersten Kandidaten für erdnahe Trojaner ankündigen konnte.Natürlich müssen Astronomen noch ein endgültiges Urteil über den Status dieses Asteroiden treffen, aber die Autoren des Artikels in Natur zweifle nicht daran, dass ihre Schlussfolgerungen gültig bleiben.

Derzeit 2010 TK7 führt Libration durch, die um den Punkt L rockt4 (Abb. 4). In dem Koordinatensystem, das sich zusammen mit der Erde um die Sonne dreht, ähnelt seine aktuelle gemittelte Flugbahn einer Ellipse mit einer Exzentrizität von 0,191 (sie oszilliert auch auf diesem Weg unter dem Einfluss der Anziehungskraft von Jupiter). Der minimale Abstand zwischen dem Asteroiden und der Sonne beträgt in dieser Bewegungsphase 0,81 a. e. (von einer astronomischen Einheit, mit anderen Worten, der durchschnittliche Radius der Erdbahn), ist das Maximum 1,19 a. e) Die Neigung seiner Umlaufbahn gegenüber der Ebene der Erdumlaufbahn beträgt jetzt 20,9 Grad. Der Durchmesser des Asteroiden, geschätzt auf der Grundlage seiner Helligkeit, beträgt 300 Meter, was für ein erdnahes Objekt recht viel ist. Seine Zusammensetzung ist in Abwesenheit von spektrographischen und photometrischen Daten noch unbekannt.

Abb. 4 Asteroid 2010 TK Migration7 zwischen den Punkten der Libration. Abbildung aus dem besprochenen Artikel inNatur

Obwohl die Parameter der aktuellen Umlaufbahn des ersten erdnahen "Trojaners" mit guter Genauigkeit definiert sind,Paul Wigert und seine Kollegen betonen, dass aufgrund der chaotischen Auswirkungen seiner zukünftigen Bewegung für maximal 5000 Jahre vorhergesagt werden kann. Für die Erde wird es zu dieser Zeit keine Gefahr darstellen, da die Entfernung zwischen ihr und unserem Planeten immer 20 Millionen Kilometer betragen wird. Berechnungen zufolge wird der Asteroid im Laufe der nächsten vier Jahrhunderte im Sonnenraum sehr ausgefallene Schleifen unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Dehnungsgrade beschreiben (siehe Video).

Die Autoren des Artikels geben auch die Ergebnisse von Modellberechnungen an, die das Verhalten des Satzes von "Klonen" dieses Asteroiden beschreiben, deren Umlaufparameter nur im Bereich möglicher Messfehler von den tatsächlichen abweichen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Asteroid erst vor etwa fünfzehnhundert Jahren seinen gegenwärtigen Librationspunkt erreicht hatte und zuvor um Punkt L oszillierte5Nicht vor der Erde, aber dahinter. Er machte einen "Sprung" zwischen Lagrange-Libration-Punkten, die in der Nähe des Euler-Punktes L vorbeiführten3. Die Möglichkeit solch scharfer Umkehrungen der Umlaufbahnen wurde theoretisch vor ungefähr 90 Jahren bewiesen, aber bis jetzt wurden sie keinem wirklichen Himmelskörper verdächtigt.

Quelle: Martin Connors, Paul Wiegert, Christian Veillet. Der Trojaner Asteroiden der Erde // Natur. 2011. V. 475. P. 481-483.

Alexey Levin


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