Содержание
Содержание............................................................................... 2
Введение...................................................................................3
Глава 1. Семейства астероидов как предмет исследования. Обзор работ.......................14
1.1. История исследования семейств астероидов Главного пояса...........................14
1.2 Методы выделения ассоциаций........................................................19
1.3 Спектральные свойства астероидов как средство идентификации членов семейств 24
1.4 Динамическое и физическое старение семейств........................................25
1.5 Поиск семейств среди астероидов, сближающихся с Землей.............................28
Глава 2. Исследование ассоциаций малых гсл Солнечной системы среди объектов, сближающихся с орбитой Землей.............................................................32
2.1 Выбор методики определения ассоциаций..............................................34
2.2 Особенности предложенного метода выделения ассоциаций астероидов...................37
2.3 Алгоритм для поиска ассоциаций среди множества тел.................................38_________
2.4 Примеры уточнения границ ассоциаций................................................39
2.5 Результаты поиска ассоциаций астероидов среди АСЗ..................................44
2.6 Исследование физико-химических свойств астероидов в ассоциациях....................54
2.6.1 Исследование таксономических типов астероидов....................................55
2.6.2 Исследование цветовых характеристики астероидов, сближающихся с Землей...........62
Заключение.............................................................................65
Глава 3. Исследование эволюции астероидов в избранных ассоциациях.........................66
3.1. Эволюция орбит астероидов.........................................................66
3.2 Симплектический метод интегрирования для изучения эволюции астероидов..............71
3.3 Выбор ассоциаций для исследования динамической эволюции орбит астероидов...........72
3.3.1 Ассоциация астероидов №1.........................................................73
3.3.2 Ассоциация астероидов №26........................................................85
Заключение.............................................................................98
Глава 4. Информационная система обработки данных о малых телах Солнечной системы 100
4.1 ИС электронной обработки данных в ИНАСАН - ИС «Кластер»...........................103
4.2 Общий вид программного комплекса..................................................104
4.3 Модуль «Поиск и отбор объектов»...................................................105
4.4 Модуль «Обработка данных»....................................................... 107
4.5 Модуль «Прогнозирование движения».................................................108
4.6 Модуль «Поиск семейств»...........................................................110
4.7 Модуль «Моделирование виртуальных объектов».......................................110
Заключение............................................................................111
Заключение...............................................................................113
Литература...............................................................................115
Приложение 1. Списки полученных ассоциаций...............................................126
Приложение 2. Постановка наблюдательной задачи для исследования избранных ассоциаций .131
2
Введение
Актуальность
Знание о населенности околоземного пространства небесными телами очень актуально в наши дни. Причины этого- освоение космического пространства с практическими целями, понимание реальности космических угроз, а также возможность, используя огромные объемы новых знаний о малых телах, уточнять модели эволюции Солнечной системы в целом, планет и их окружения в частности. Огромные объемы информации, накопленные и получаемые при наблюдениях объектов, сближающихся с орбитой Земли, других малых тел, требуют хранения и оперативной обработки, предоставляя все больше возможностей для исследования распределений малых тел Солнечной системы и путей их эволюции. С момента обнаружения первого астероида (1801 г.) в течение 90 лет астрономы визуально открыли 322 малые планеты. В 1891 году Макс Вольф открыл первый фотографический астероид (№323). Ровно через 100 лет, к 1 января 1991 г., всего было обнаружено 4655 астероидов. Таким образом, «фотографический век» по сравнению с «визуальным веком» увеличил число астероидов на порядок. В 1990-е гг. фотопластинку и глаз заменили электронные приемники света - ПЗС-матрицы. В результате, в конце 2007 года открыто более 400 тыс. астероидов. Менее чем за 20 лет количество астероидов выросло на 2 порядка. Сейчас их открывается примерно по 500 каждый месяц. Эти новые данные требуют систематизации и осмысления, выявления групп с похожими параметрами, физическими характеристиками, характером движения и т.п.
Последние годы отмечены перестройкой наших представлений о малых телах Солнечной системы - кометах, астероидах, метеороидах. В результате тщательного изучения особенностей движения, физической природы и взаимосвязи различных групп малых тел, чему значительно способствовало применение новых численных методов небесной механики,
3
все полнее раскрываются характерные черты этих замечательных образований. Вопросы природы, эволюции и происхождения малых тел Солнечной системы привлекают все более широкое внимание астрономов, а изучение астероидов приобретает особое значение в исследовании Солнечной системы.
Поиск семейств среди астероидов, метеороидов и комет, сближающихся с Землей, является интереснейшей задачей. Па сегодняшний день нет достаточно ясной картины о происхождении и путях пополнения семейств околоземных астероидов. Для некоторых метеорных потоков еще не определены родительские тела. Существуют теоретические работы, которые связывают часть метеорных потоков не только с кометами, но и с астероидами, сближающимися с Землей. Известны комплексы малых тел Солнечной системы вблизи орбиты Земли, которые включают в себя астероиды, кометы, отдельные метеороиды и метеорные потоки. Поэтому необходимо разрабатывать и применять критерии выделения малых тел, входящих в комплексы и семейства, схожими не только орбитальными характеристиками, но и общностью происхождения, то есть схожими физическими параметрами, орбитальной эволюцией и т.д.
Астероиды в процессе эволюции могут сталкиваться, разрушаться, образуя группы осколков - тогда появляется ассоциация (семейство) астероидов или метеороидов, имеющее одно родительское тело. А может появиться и новый астероид, объединившийся из осколков родительских тел. Как показывает численное моделирование столкновений силикатных тел астероидного размера, многие из существующих сейчас астероидов после взаимных столкновений могли реаккумулироваться и поэтому представляют собой не монолитные тела, а «груды булыжников».
Астероиды, сближающиеся с планетами Земной группы, можно рассматривать как постоянный источник астероидной опасности. Динамическая эволюция астероида, разрушения тел в результате гравитационного влияния планет', либо столкновения между астероидами
4
порождают семейства астероидов, которые могут угрожать Земле. Изменение орбитальных параметров может привести к тому, что астероид столкнется с Землей. Имея в наличии средние параметры орбиты для семейств среди ЛСЗ, мы сможем сравнить эти параметры орбиты с параметрами орбит метеоритов, упавших на Землю, для того чтобы определить наиболее опасные семейства и узнать, не падали ли какие-либо объекты данного семейства в прошлом. Наконец, исследование астероидов и других малых тел позволяет подойти к выяснению прошлого и настоящего Солнечной системы.
Цель работы
Предметом данной диссертационной работы является
1. Разработка алгоритма поиска ассоциаций среди астероидов и методики уточнения границ ассоциаций астероидов.
2. Выделение ассоциаций астероидов среди астероидов, сближающихся с Землей.
3. Исследование динамической эволюции некоторых полученных ассоциаций.
4. Разработка системы сбора, хранения и интерпретации данных о малых телах Солнечной системы.
Научная новизна
За последние десять лет количество астероидов, сближающихся с Землей, выросло в 10 раз. Поиск ассоциаций среди АСЗ последний раз был проведен в работе 0гиттопс1(2000). С тех пор количество известных астероидов многократно возросло. В данной работе предложен новый метод определения ассоциации астероидов на основе кластерного анализа с использованием геометрического расстояния между орбитами (И-критерия). Основная проблема при использовании И-критсрия - это обоснование порогового значения критерия или, что то же самое, нахождение точных
5
границ ассоциаций. В данной работе представлен метод точного определения окончательного порогового значения критерия, представлены результаты нахождения нескольких ассоциаций по предложенному алгоритму. Исследована динамическая эволюция нескольких ассоциации астероидов среди АСЗ и сделаны предположения о происхождении этих ассоциаций. А также предложена информационная система для сбора и анализа данных о малых телах Солнечной системы.
Практическая значимость работы
В работе даются рекомендации по выбору АСЗ для фотометрических наблюдений с целью уточнения их принадлежности к ассоциациям. Разработанная база данных об астероидах и сопряженный с ней аппарат анализа этих данных может служить целям разработки различных аспектов фундаментальной науки, систематизации и детализации различных аспектов проблемы астероидной опасности.
Основные результаты
В процессе выполнения работы были получены следующие результаты:
1. Предложен метод выявления и уточнения границ ассоциаций с применением методов кластерного анализа.
2. Для астероидов, сближающихся с Землей, было проведено выделение и исследование ассоциаций астероидов. Среди астероидов в ассоциациях обнаружены пары астероидов с очень близкими орбитальными параметрами.
3. Для астероидов, попавших в ассоциации, проведен анализ физикохимических данных. Исследование астероидов проводилось по таксономическому классу, а также с использованием фотометрических данных. Среди некоторых ассоциаций выявлены астероиды с
6
близкими показателями цветовых характеристик, что может говорить об общем прошлом этих астероидов.
4. Проведено исследование динамической эволюции астероидов в избранных ассоциациях. Результаты, полученные при моделировании эволюции в интервале два миллиона лет в прошлое, позволяют сделать предположение, что исследованная ассоциация №1 предположительно может иметь кометную природу, то есть астероиды из ассоциации могут являться осколками угасшей кометы. Для реальных астероидов такой результат получен впервые. Сделано предположение, что астероид 1221/Атог может иметь кометную природу.
5. Для обнаруженных внутри ассоциаций пар астероидов проведено исследование динамической эволюции орбит этих астероидов. Близкое положение орбит астероидов 2003 ВС>35 и 2007 Р09 в пространстве шести Кеплеровых элементов (большая полуось, эксцентриситет, наклонение, долгота восходящего узла, аргумент перигелия, средняя аномалия) может говорить об общем динамическом и генетическом прошлом таких астероидов. Другими словами, можно сказать, что в недавнем прошлом такие астероиды были одним гелом. Для астероидов 2003 ВОЗ5 и 2007 РС>9 определен интервал времени, в течение которого данная пара астероидов могла образоваться.
6. В процессе работы над темой исследования ассоциаций малых тел был разработан информационный программный комплекс для хранения и обработки данных о малых телах Солнечной системы. Комплекс позволил провести ряд научных исследований астероидов, сближающихся с Землей. Причиной, по которой программный комплекс был разработан, является тот факт, что существующие программные средства не обладают достаточной функциональностью для решения задач выделения и исследования ассоциаций.
7
Положения, выносимые на защиту
1. Алгоритм выделения и исследования ассоциаций астероидов, сближающихся с Землей. Среди астероидов в ассоциациях обнаружены пары астероидов с очень близкими орбитальными параметрами.
2. Метод выявления и уточнения границ ассоциаций с применением методов кластерного анализа.
3. Анализ известных физико-химических характеристик астероидов, попавших в ассоциации. Исследование астероидов проводилось по таксономическому классу, а также с использованием фотометрических данных. Среди некоторых ассоциаций выявлены астероиды с близкими показателями цветовых характеристик, что может говорить об общем прошлом этих астероидов. На основе анализа известных физических характеристик астероидов, попавших в ассоциации, в работе делаются выводы о недостаточном количестве таких данных для АСЗ. Для избранных ассоциаций астероидов предлагаются интервалы времени, в течение которых можно наблюдать эти астероиды и проводить фотометрические исследования.
4. Результаты исследования динамической эволюции астероидов, входящих в избранные ассоциаций. Результаты, полученные при моделировании эволюции в интервате два миллиона лет, позволяют сделать предположение, что исследованная ассоциация астероида 1221/ Amor предположительно может иметь кометную природу, а астероиды из ассоциации могут являться осколками угасшей кометы.
5. Исследования динамической эволюции орбит близких пар астероидов, обнаруженных внутри ассоциаций. Близкое положение орбит астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ9 в пространстве шести Кеплеровых элементов (большая полуось, эксцентриситет, наклонение, долгота восходящего узла, аргумент перигелия, средняя аномалия) может
8
говорить об общем прошлом таких астероидов. Другими словами, можно сказать, что в недавнем прошлом такие астероиды были одним телом. Для астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ9 определен интервал времени, в течение которого данная пара астероидов могла образоваться.
6. Разработка информационного программного комплекса для хранения и обработки данных о малых телах Солнечной системы. Причиной, по которой программный комплекс был разработан, является тот факт, что существующие программные средства не обладают достаточной функциональностью для решения задач выделения и исследования ассоциаций. Разработанный программный комплекс позволил провести ряд научных исследований астероидов, сближающихся с Землей.
Апробация работы
Основные результаты диссертации изложены автором на конференциях и конкурсах молодых ученых:
Международная конференция «Околоземная астрономия 2005» г. Казань, август 2005 г., международная конференция «Околоземная астрономия 2007» п. Терскол, сентябрь 2007 г., Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2007, Казань, 2007, Конференция молодых ученых ИНАСАН, Москва, 13 ноября, 2007г, Международная конференция «100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее», Москва, 26-28 июня 2008 г., », Конференция молодых ученых ИНАСАН, Москва, 28 октября, 2008г, Всероссийская астрометрическая конференция "Пулково-2009", Санкт-Петербург, 2009 г., Международная конференция «Околоземная астрономия - 2009», Казань, 2009 г., «Malta Symposium on Hazardous Near Earth Asteroids», Vallete, October 12-16, 2009, на семинаре "Проблемы происхождения и эволюции кометно-астероидного вещества в Солнечной системе и проблема астероидной опасности " в ИНАСАН. Программный
9
комплекс, реализованный в процессе исследования, был предложен как прототип информационной системы в рамках работ по созданию информационно-аналитического центра по проблеме астероидно-кометной опасности в России.
Всего по теме диссертации опубликовано 7 научных статей.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие во всех этапах представленной диссертации, включая постановку задачи, отбор и обработку экспериментального материала, в проведении всех численных расчетов по составленным программам. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Список цитируемой литературы содержит 95 наименований.
Во Введении обосновывается актуальность, связанная с .. возрастающим количеством известных объектов в Солнечной системе. Формулируются основные дели исследований, приведенных в диссертации, показана научная новизна основных результатов диссертации, их научная и практическая ценность.
В Первой главе анализируется текущее состояние проблемы исследования ассоциаций малых тел среди астероидов, сближающихся с Землей. Проведен анализ и обобщение работ, в которых исследуются ассоциации и семейства астероидов Главного пояса. Даны пояснения по поводу использования терминов «семейство астероидов» и «ассоциация астероидов». Также в этой главе описаны методы определения семейств астероидов, такие как иерархический кластерный метод, метод вейвлет анализа, динамический Р-критерий, а также несколько новых методов -
ю
модифицированный иерархический кластерный метод, и аналог D-критерия функция расстояния между орбитами Холшевникова. Сравниваются существующие методы выделения ассоциаций и делаются выводы о модификации существующих методов, с целью уточнения границ ассоциаций.
В первой главе также рассматриваются причины, побудившие нас исследовать астероиды, сближающиеся с Землей, на предмет ассоциаций. А также описывается предварительных план работ по поиску и исследованию полученных ассоциаций астероидов.
Во Второй главе приводится описание разработанной новой методики определения ассоциаций среди АСЗ, а также методика уточнения границ ассоциаций. По предложенной методике определения ассоциаций выявляются группы астероидов среди АСЗ, проводится их анализ и сравнение. В результате исследования среди 6127 астероидов выделено 111 ассоциаций. Общее количество астероидов, попавших в ассоциации, равняется 1023. Во второй главе приводятся примеры нескольких ассоциаций, и принципы уточнения границ этих ассоциаций. Также приводится список средних значений элементов орбит для всех полученных ассоциаций. Более того, проводится анализ данных о физических характеристиках из ассоциаций астероидов, сближающихся с Землей. Проводится поиск и анализ данных о таксономических характеристиках астероидов, попавших в ассоциации, а также исследование цветовых характеристик астероидов из каталога подвижных объектов Слоановского цифрового обзора неба (SDSS moving object catalog). Анализ данных из каталогов таксономических данных и цветовых параметров указывает на то, что объем знаний о физических характеристиках исследуемых объектов не позволяет точно говорить о генетической схожести астероидов в ассоциациях. Но даже на основе тех скудных данных, которые были обработаны, можно делать выводы о связи астероидов внутри ассоциаций.
II
- Киев+380960830922