Наблюдения малых тел в околоземном космическом пространстве

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
Глава 1. Исследование наиболее перспективных направлений поиска крупных тел, сближающихся с Землей 21
§1.1. Предпосылки начала работ по наблюдениям тел метрового и декаметрового диапазона в метеорных потоках. 21
§ 1.2. Анализ существующих данных о населенности
околоземного пространства телами метрового и декаметрового размера 26
§ 1.3. Распределение по массам тел в метеорных потоках 30
§. 1.4. Оценка эффективности проведения поиска в данном метеорном потоке на аппаратуре с заданными характеристиками. 35 §. 1.5. Болидные потоки. 39
§. 1.6. Поиск ассоциации астероидов, сближающихся с Землей, с болидными и метеорными потоками 46
§. 1.7. Выделение других направлений подлета к Земле тел метрового и декаметрового размера, не связанных с метеорными и болидными потоками 50
§ 1.8. Окончательный отбор направлений для проведения экспериментального поиска тел мегрового и декаметрового размера. 57
Глава 2. Наблюдение тел в метеорных потоках за пределами атмосферы Земли. 61
§ 2.1. Вычидение эфемериды. 61
3
§ 2.2. Наблюдательные средства и их особенности. Выбор необходимой оптоэлектронной конфигурации регистрирующей аппаратуры. 67
§ 2.3. Получение максимально возможного размера поля зрения. 74 § 2.4. Проведение наблюдений. 79
§ 2.5. Первичная обработка наблюдений, оценка их точности, статистические характеристики. 87
Глава 3. Проблема первоначального определения орбиты тела, двигающегося в околоземном космическом пространстве по направлению, близкому к линии визирования. 94
§3.1. Методы определения первоначальных орбит 94
§ 3.2. Постановка задачи первоначального определения орбиты рассматриваемого класса тел 97
§ 3.3. Основная система уравнений 101
§ 3.4. Вычисление значений топоцентрических расстояний и пераметров предварительной орбиты. Оценка точности полученных орбит по вычисленным О-С. 105
Глава 4. Выполнение наблюдений, анализ результатов и их интерпретация. 122
§4.1. Анализ полученной информации об орбитах. 122
§ 4.2.. Предварительные выводы об исследуемых метеорных и 126 болндных потоках и их генезисе.
Заключение 135
Литература
140
4
Введение
Актуальность темы. Малыми телами Солнечной системы традиционно называются астероиды (малые планеты), кометы и метеороиды (размеры последних - от пылинок до десятков метров). Наблюдения различных малых тел до последних десятилетий XX века выполнялись различными методами: астероиды и кометы наблюдались астрономическими методами на больших расстояниях от Земли, а метеороиды наблюдались только во время их движения в атмосфере Земли (как метеоры и болиды) или после падения на поверхность Земли как метеориты. В конце XX века астрономия получила новые свстоприсмники, позволяющие в оптическом диапазоне наблюдать малые тела размерами в несколько метров на расстояниях несколько миллионов километров. Появилась возможность резко увеличить наши знания о популяции матых тел Солнечной системы.
Можно сформулировать следующие фундаментальные и прикладные проблемы, в решении которых наблюдения малых тел имеют существенное значение:
- изучение популяций малых тел Солнечной системы, их эволюции и миграции, и использование данных об их химическом составе и орбитальных характеристиках для нахождения их роли и места в эволюционной картине Солнечной системы;
- построение полноценной модели популяции малых тел Солнечной системы в окрестности Земли, включающей возможные источники пополнения этой популяции;
- использование всех возможностей обнаружения приближающихся к Земле тел задолго до их опасного сближения с Землей и перевод проблемы астероидно-кометно-метеороидной опасности из вероятностной в
5
предсказуемую и из "роковой" в решаемую с прогнозированным "защитным" результатом.
В США и Западной Европе сегодня созданы и продолжают создаваться специальные инструменты, нацеленные на решение задач поиска и каталогизации объектов, сближающихся с Землей [1]. Планируется, что до 2010 года будут открыты и каталогизированы около 95% астероидов свыше 1 км в диаметре. Для астероидов меньшего размера, например, 100 м, число зарегистрированных и каталогизированных астероидов не превысит и 30% от предполагаемого общего числа астероидов. Совет Европы и ООН неоднократно обсуждали эти вопросы и были приняты соответствующие резолюции и рекомендации. В настоящее время и в России проблема астероидно-комстно-мстсороидной опасности привлекла внимание некоторых институтов. В последние годы астероидио-кометно-метеорондная опасность была включена в список источников глобальных катастроф, составленный Министерством по чрезвычайным ситуациям Российской федерации.
Изучение населенности околоземного пространства малыми телами основывается на ряде данных, среди которых [2]:
1. Данные о метеорах и болидах, зарегистрированных на исторических интервалах времени.
2. Данные о произошедших в истории Земли катастрофах, вызванных столкновениями с небесными телами различных видов и размеров.
3. Данные, полученные при изучении движения и эволюции орбит известных комет.
4. Данные о популяции астероидов, сближающихся с Землей.
5. Данные, полученные с космических аппаратов.
6
6. И, с недавнего времени, данные о крупных телах в метеорных потоках, наблюдаемых за атмосферой Земли на их подлете к Земле или пролете вблизи Земли.
Чем полнее будут эти данные, тем реальнее решение проблем, связанных с изучением популяции малых тел Солнечной системы. В настоящее время ревизия наших знаний о популяции малых тел в околоземном космическом пространстве показывает, что мы не обладаем полнотой сведений о телах размером свыше 1 м и не можем построить приемлемую модель их популяции. Для того чтобы понять источники ее пополнения и оценить, насколько реальна опасность столкновения Земли с небесным телом метрового размера и выше, необходимы новые наблюдательные данные и анализ потенциальных источников пополнения этой популяции [3].
Роль наблюдений малых тел метрового и дскаметрового размера в околоземном космическом пространстве определяется современным уровнем наблюдательной аппаратуры. Анализ современных наблюдательных возможностей наземной астрономии показывает, что даже на малых телескопах возможно регистрировать объекты до 1 метра в диаметре на расстояниях в несколько миллионов километров от Земли, проводить исследование их фотометрических характеристик.
Основные цели исследования Анализ имеющихся сведений о популяции малых тел Солнечной системы вблизи Земли и выделение комплексов таких тел, содержащих в достаточном числе объекты метрового и декаметрового размера, сближающиеся с Землей. Осуществление поиска наиболее перспективных направлений в пространстве и моментов времени для проведения ПЗС-наблюдений малых тел Солнечной системы
7
метрового и декаметрового размера и прогнозирование эффективности проведения наблюдений по разработанной методике.
Проведение наблюдений с целью обнаружения метровых и декаметровых тел в избранных метеорных и бол иди ых потоках.
Разработка метода первоначального определения орбиты с учетом специфики движения небесных тел в метеорных и болидных потоках вблизи Земли.
Анализ результатов наблюдений по полученным предварительным орбитам, подтверждение принадлежности наблюденного объекта исследуемому метеорному или болидному потоку. Предварительный анализ содержания крупных тел в некоторых метеорных потоках, с целью проверки моделей образования этих метеорных потоков.
Научная новизна. Настоящая работа посвящена изучению популяции тел метрового и декаметрового диапазона в метеорных и болидных потоках с помощью оригинальной постановки наблюдательной задачи.
• Показана возможность обнаружения тел метрового и декаметрового диапазона в метеорных и болидных потоках. Такие наблюдения впервые в мире выполнены автором вместе с коллегами.
• Впервые получены оценки эффективности проведення поиска, как с учетом характеристик наблюдательной аппаратуры, так и с учетом известных характеристик избранного метеорного потока.
• Исследован вопрос о применимости существующих методов первоначального определения орбиты вновь открываемого объекта к небесным телам рассматриваемого класса и предложен оригинальный метод решения этой небесно-механической задачи.
8
• С помощью предложенного метода показано, что часть обнаруженных объектов имеет орбиты, схожие с исследуемыми метеорными и болидными потоками, что можно считать доказательством их принадлежности этим потокам.
Научная и практическая ценность. Разработана оригинальная методика эмпирической оценки распределения по массам в метеорных и болидных потоках в диапазоне масс, соответствующих телам метрового и декаметрового диапазона, которая позволяет оценивать эффективность проведения существующими наблюдательными средствами исследования таких тел вблизи Земли. Впервые поставлена и решена задача наблюдения тел метрового и декаметрового диапазона в метеорных и болидных потоках в периоды их активности на расстояниях от Земли до нескольких десятков миллионов километров. Исследование проблемы первоначального определения орбиты тела, движущегося близко к линии визирования, и координаты которого измеряются на небольших дугах видимого движения за короткие интервалы времени, позволяет оценить пределы применимости различных методов первоначального определения орбиты при получаемых точностях наблюденных координат. Предложен оригинальный подход, который в ряде случаев помогает решить проблему первоначального определения орбиты для объектов, движущихся по траекториям, близким к линии визирования. Применение этого метода дает возможность установить принадлежность вновь наблюдаемого объекта метеорному или болидному потоку и посчитать эфемериду для наблюдений его в последующие ночи. Решение поставленной наблюдательной задачи позволяет уточнить модель популяции метровых и дскаметровых тел Солнечной системы в околоземном космическом
9
пространстве. Подтверждение наблюдениями существования в метеорных потоках тел метрового и декаметрового диапазона позволяет утверждать, что распределение тел по массам в некоторых метеорных и болидных потоках является непрерывной и гладкой функцией, тогда как в других потоках это распределение может иметь резкий дефицит крупных тел. Установление такого различия потоков свидетельствует о различиях в их генезисе. Проработанная в деталях методика поиска тел в метеорных и болидных потоках может быть использована во всех наблюдательных программах, связанных с регистрацией малых тел Солнечной системы, сближающихся с Землей. Составлен компилятивный каталог болидов, который позволяет произвести наиболее реальную оценку распределения тел по массам в метеорных и болидных потоках, для тел метрового и декаметрового диапазона, а также производить поиск ассоциаций между болидами, астероидами, кометами и метеорными потоками.
На защиту выносятся следующие результаты
1. Методика выбора направлений и интервалов времени для наблюдений, при которых вероятность обнаружения тел метрового и декаметрового размера максимальна.
2. Результаты поиска и ПЗС-наблюдений крупных тел в выбранных метеорных и болидных потоках.
3. Установление возможности применения прямых небесномеханических методов первоначального определения орбит к исследуемым телам, двигающимся в околоземном пространстве по направлению к Земле или от нее. Оригинальная методика получения первоначальной орбиты выбранного класса тел.
10
4. Первые оценки населенности крупными телами избранных метеорных потоков как результат анализа проведенных наблюдений.
Апробация работы. Результаты, включенные в диссертацию,
докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1.- Всероссийская конференция с международным участием “Компьютерные методы небесной механики-95”, И ГА РАН, 17-20 октября 1995 г. Санкт-Петербург.
2. Международная научная конференция "Космическая защита Земли", г. Снежинск, 23-27 сентября 1996 г.
3. Вторая Европейская конференция по космическому мусору, Дармштадт, 17-19 марта 1997 г.
4. Научно-практический конгресс Московского аэрокосмического салона МАКС-97, Москва, МГУ, август 1997 г.
5. Конференция "Новые теоретические результаты и практические задачи небесной механики", Москва, ГАИТИ, 2-4 декабря 1997 г.
6. Международная конференция "Физика и динамика малых тел Солнечной системы" - "ЛИСТ-98", Киев. Астрономическая обсерватория Киевского национального университета им. Тараса Шевченко.
7. Третья американо-российская рабочая группа по контролю космического пространства (Third US/Russian Space Surveillance Workshop), USNO, Вашингтон, 20-23 октября 1998 г.
8. Совместный российско-румынский семинар по современным проблемам астрономии в Пулково, июнь 1998 г.
9. Научная конференция "Околоземная астрономия и проблемы изучения малых тел Солнечной системы", Обнинск, 25-29 октября 1999 г.
11
10. 29-я студенческая научная конференция "Физика космоса", Екатеринбург, 31 января - 4 февраля 2000 г.
11. Объединенная европейская и национальная астрономическая конференция .1ЕЫАМ2000, Москва, 29 мая - 3 июня 2000 г.
12. Третья международная конференция «Космическая защита Земли -2000» «КЗЗ-2000», Евпатория, Крым, Украина, 11-15 сентября 2000 г.
Всего по теме диссертации опубликовано 16 научных статей.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие
- в постановке наблюдательной задачи;
- в разработке и изготовлении редукторов фокуса 60-см телескопа в Звенигороде и 1-м телескопа в Симеизе;
- в составлении компилятивного каталога болидов и проведении на его основе исследования популяции болидов;
- в проведении наблюдений и их первичной обработке;
- в анализе и интерпретации наблюдений;
- в постановке задачи и создании алгоритма первоначальною определения орбиты на основе метода Лапласа в топоцентрической постановке задачи. Автор самостоятельно разработал методику оценки эффективности проведения поиска метровых и дскаметровых тел в метеорных и болидных потоках, как с учетом характеристик наблюдательной аппаратуры, так и с учетом известных характеристик метеорных и болидных потоков. Диссертантом проведены все численные расчеты. В совместных публикациях участие соавторов равное.
12
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения.
Во введении обосновывается актуальность, и формулируются основные цели исследования, приведенного в диссертации, показана научная новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность.
В первой главе рассматривается общее состояние современных знаний о популяции малых тел Солнечной системы в окрестности Земли, в частности, тел метрового и декаметрового размера. Популяция небесных тел Солнечной системы вблизи окрестности Земли состоит из частиц метеорного вещества, которые имеют массы от 10*18 г до нескольких грамм, метеороидов - от нескольких грамм до сотен килограмм, астероидов, сближающихся с Землей, и комет, проходящих вблизи Земли. Распределение метеорного вещества достаточно хорошо изучено методами метеорной астрономии: радионаблюдения метеоров, визуальные и фотографические наблюдения метеоров, визуальные и фотографические наблюдения болидов, результаты, полученные с ИСЗ. По разным оценкам, значительная часть метеороидов входит в метеорные потоки. Например, 28% радиометеоров входит в метеорные потоки. Для более крупных тел, которые наблюдаются как визуальные и фотографические метеоры, число частиц, принадлежащих потокам, увеличивается до 47-56%, а для болидов оценивается в 68% . При этом и первые, и вторые, и третьи могут входить в одни и тс же потоки [4].
Кроме потоков метеоров и болидов, имеется и так называемая спорадическая составляющая метеорного вещества. Современные исследования показывают, что поток спорадических тел неоднороден по направлениям и времени [5].