Исследование комплексов малых тел солнечной системы, сближающихся с планетами земной группы

Учреждение Российской академии наук

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

На правах рукописи

УДК 523.44

Нароенков Сергей Александрович

Исследование комплексов малых тел

Солнечной системы, сближающихся с

планетами Земной группы

01.03.01 – Астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте астрономии РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Рыхлова Лидия Васильевна

Научный консультант: кандидат физико-математических наук Барабанов Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Куликова Нелли Васильевна Обнинский институт атомной энергетики Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

кандидат физико-математических наук Алёшкина Екатерина Юрьевна Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

Ведущая организация: Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга (ГАИШ МГУ)

Защита состоится 18 июня 2010 г. в 11 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 при Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, расположенном по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН (Санкт-Петербург, Пулковское шоссе 65, корп.1)

Автореферат разослан 17 мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Милецкий Е.В

Общая характеристика работы

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 малых тел Солнечной системы и путей их эволюции. С момента обнаружения первого астероида (1801 г) в течение лет астрономы визуально открыли 322 малые планеты. В 1891 году Макс Вольф открыл первый фотографический астероид (№323). Ровно через 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 несколько тысяч 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 и метеорах. В результате тщательного изучения особенностей движения, физической природы и взаимосвязи различных групп малых тел, чему значительно способствовало применение новых численных методов небесной механики, все полнее раскрываются характерные черты этих замечательных образований. Вопросы природы, эволюции, происхождения малых тел Солнечной системы привлекают все более широкое внимание астрономов, а изучение астероидов приобретает значение одной из проблем Солнечной системы.

Поиск ассоциаций среди астероидов, метеороидов и комет, сближающихся с Землей, является интереснейшей задачей. На 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 ассоциации, 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».

Термин «семейство астероидов» чаще всего употребляется в названиях групп астероидов Главного пояса со схожими орбитальными параметрами и физическими свойствами. Термином «ассоциация астероидов» называются группы астероидов, имеющие общие орбитальные параметры, но без подтверждения физических свойств [1].

Астероиды, сближающиеся с Землей (АСЗ), можно рассматривать как постоянный источник астероидной опасности. Динамическая эволюция астероида, разрушения тел в результате гравитационного влияния планет, либо столкновения между астероидами порождают ассоциации астероидов, которые могут угрожать Земле. Изменение орбитальных параметров может привести к тому, что астероид столкнется с Землей. Имея в наличии средние параметры орбиты для ассоциаций среди АСЗ, мы сможем сравнить эти параметры орбиты с параметрами орбит метеоритов, упавших на Землю, для того чтобы определить наиболее опасные ассоциации и узнать, не падали ли какие-либо объекты данной ассоциации в прошлом.

Наконец, исследование астероидов и других малых тел позволяет подойти к выяснению прошлого и настоящего Солнечной системы.

Цель диссертации 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 известных астероидов, сближающихся с Землей, выросло в 10 раз. Поиск ассоциаций среди АСЗ последний раз был проведен в работе Драммонда в 2000 году [1]. 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 (D-критерия). Основная проблема при использовании D критерия - это обоснование порогового значения критерия или, что то же самое, нахождение точных границ ассоциации. В данной работе представлен метод точного определения окончательного порогового значения критерия, представлены результаты нахождения ассоциаций по предложенному алгоритму. Выделено 111 ассоциаций астероидов среди АСЗ. Исследована динамическая эволюция нескольких ассоциаций астероидов среди АСЗ и сделаны предположения о происхождении этих ассоциаций. Разработана также 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.

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 интервале 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 полуось, эксцентриситет, (большая наклонение, долгота восходящего узла, аргумент перигелия, средняя аномалия) может 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 PQ 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 комплексы не обладают достаточной функциональностью для решения задач выделения и исследования ассоциаций. Разработанный программный комплекс позволил провести ряд научных исследований астероидов, сближающихся с Землей.

Апробация результатов Основные результаты диссертации доложены 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, г., Международная конференция 2009 «Околоземная астрономия - 2009», Казань, 2009 г., «Malta Symposium on Hazardous Near Earth Asteroids», Vallete, October 12-16, 2009, на Объединенном семинаре в ИНАСАН, семинаре "Проблемы происхождения и эволюции кометно астероидного вещества в Солнечной системе и проблема астероидной опасности " в ИНАСАН. Программный 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.

Содержание работы Во Введении обосновывается актуальность работы, связанная с возрастающим количеством известных объектов в Солнечной системе.

Формулируются основные цели исследований, проведенных в процессе подготовки 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 и ассоциаций астероидов, такие как иерархический кластерный метод, метод вейвлет анализа, динамический критерий D-критерий, а также несколько новых методов – модифицированный иерархический кластерный метод, и аналог D-критерия, функция расстояния между орбитами, предложенный К.В. Холшевниковым. Сравниваются существующие методы выделения групп астероидов с близкими орбитальными параметрами и делаются выводы о необходимости модификации существующих методов, с целью уточнения границ ассоциаций. Также в первой главе проводится обобщение работ, связанных с исследованиями физических характеристик астероидов Главного пояса, которые доказывают, что семейства астероидов являются результатом распада родительского тела.

В первой главе делается вывод о том, что исследованию астероидов с близкими орбитальными параметрами среди АСЗ уделяется очень мало внимания. Это связано с тем, что количество новых данных об АСЗ выросло многократно лишь совсем недавно, за последние несколько лет.

Такое количество данных уже позволяет находить ассоциации, которые образовались в результате динамических процессов, происходящих с объектами, сближающимися с Землей. Поэтому задачи определения ассоциаций астероидов среди АСЗ очень актуальны.

Во Второй главе приводится описание предложенной методики определения ассоциаций среди АСЗ, а также методика уточнения границ ассоциаций, описываются полученные результаты и проводится анализ имеющихся данных о физических характеристиках астероидов, попавших в ассоциации с целью выяснения возможного общего прошлого ассоциации.

Для построения алгоритма выделения ассоциаций были использованы методы кластерного анализа. Для определения близости орбит был использован критерий Драммонда [2], который более других приспособлен для выявления близких орбит среди околоземных объектов. Мы ограничились при этом рассмотрением только статистически значимых ассоциаций с количеством астероидов более 5 штук. Это помогло сконцентрировать внимание на более крупных ассоциациях, и убрать мелкие ассоциации из рассмотрения.

Алгоритм поиска был составлен следующим образом:

Введем определения для поиска ассоциаций среди малых тел: пусть Ok={q,e,w,i,Node}k, k=1...N, набор из N орбит малых тел, среди которых будем искать ассоциации. Пусть Om – изначальная орбита, для которой ведется поиск ассоциаций. Пусть Dkm -расстояние между орбитами Ok и Om. Тогда ассоциацией будем считать подмножество орбит, для которых Dkm Dc.

Примем за начальное значение Dc=0.13, определенное Драммондом. На первом шаге возьмем объект Оk (k=1) из выборки N астероидов.

Обозначим его как изначальный объект Om. Рассчитаем расстояние Dkm между орбитами для всех пар астероидов Om и Оk (k=2…N). Обозначим через множество S все астероиды, для которых выполняется условие Dkm Dc. Количество астероидов, для которых выполняется это условие, обозначим как M. Для этого множества S рассчитаем параметры средней орбиты по формуле M x X= i M, где величина xi соответствует элементам орбиты астероида i = e, I, q, w, Node. На втором шаге присвоим Om значение средней орбиты подмножества S и снова рассчитаем расстояние Dkm между орбитами для всех пар астероидов Om и Оk (k=1…N). Переобозначим через множество S все астероиды, для которых выполняется условие Dkm Dc. Количество астероидов, для которых выполняется это условие, обозначим как M. Для этого множества S снова рассчитаем параметры средней орбиты по M x X= i M формуле, где величина xi соответствует элементам орбиты i = астероида e, I, q, w, Node. Будем повторять шаг 2 до тех пор, пока центр подмножества S не сойдется в одну точку, т.е от шага к шагу не перестанут изменяться параметры средней орбиты X. В итоге у нас получится подмножество объектов с близкими элементами орбит, которое группируется вокруг одного центра. На последнем шаге необходимо будет определить точные границы ассоциации астероидов. Для этого построим гистограмму всех Dkm, полученных на последнем шаге. Наша исходная ассоциация должна быть четко различима на гистограмме, как множество объектов с близкими параметрами Dkm и отличаться от всего прочего набора объектов. Такая ассоциация в дальнейшем удаляется из поиска.

Также удаляются из поиска объекты, для которых не были обнаружены пары с условием Dkm Dc.

Для пояснения последнего шага алгоритма выделения семейства приведем пример. На рисунках 1 и 2 представлена гистограмма значений Dkm для ассоциации астероида 1627/ Ivar.

Рис. 1. Гистограмма значений Dkm. Исходный объект 1627/Ivar.

На рисунке 1 можно видеть распределения всех значений Dkm для всех астероидов, участвовавших в исследовании. На рисунке 2 представлена та же самая гистограмма, но только в увеличенном масштабе, интервал от до 0.3.

Рис. 2. Гистограмма значений Dkm. Исходный объект 1627/Ivar, увеличенный масштаб.

Методику уточнения границ ассоциации можно представить так. Как видно из рисунка 2, ближе всего к средней орбите находятся несколько астероидов, которые создают искомую ассоциацию объектов. После величины Dkm 0.09 на гистограмме виден разрыв значений Dkm. Это означает, что между нашей искомой ассоциацией и оставшимся набором астероидов существует граница, после которой происходит изменение в характере распределении значений Dkm. На этом основании мы отделяем выделенную ассоциацию от всего набора рассмотренных объектов.

Выделенная ассоциация исключается из дальнейшего рассмотрения, и весь алгоритм повторяется для поиска следующих ассоциаций.

Первой отличительной особенностью нашего метода выделения ассоциаций астероидов является уточнение границ ассоциации на последнем шаге алгоритма. Такой подход помогает точно определить границы ассоциации и отсеять лишние астероиды, так называемый шум.

Другой отличительной особенностью нашего метода от методов, которыми были обнаружены ассоциации в Главном поясе астероидов, является использование оскулирующих, а не собственных значений элементов орбиты. Использование оскулирующих элементов орбиты больше подходит для задачи определения ассоциаций среди АСЗ. Четко выраженные собственные элементы у астероидов Главного пояса обуславливаются наличием в их движении лишь вековых возмущений и отсутствием близких сближений с планетами. Околоземные же астероиды время от времени сближаются с планетами, вследствие чего изменяются орбитальные параметры, а влияние вековых возмущений не так важно, как влияние внутренних планет.

В результате исследования, проведенного в работе, были получены ассоциаций астероидов, а общее количество исследованных АСЗ равнялось 6127. Общее количество астероидов попавших в ассоциации равнялось В этой главе приводятся примеры гистограмм нескольких 1023.

обнаруженных ассоциаций. Также приводится список средних значений орбит для всех полученных ассоциаций.

Для подтверждения схожести астероидов внутри ассоциаций, был проведен поиск и анализ данных о физических характеристиках астероидов из найденных ассоциаций. Были собраны и проанализированы имеющиеся данные о таксономических характеристиках астероидов, попавших в ассоциации, а также было проведено исследование и анализ цветовых характеристик астероидов из каталога подвижных объектов Слоановского цифрового обзора неба (SDSS moving object catalog). К сожалению, анализ данных из каталогов таксономических данных и цветовых параметров показал, что количество знаний о физических характеристиках исследуемых объектов пока недостаточно и не позволяет точно говорить о схожести происхождения для большинства астероидов в ассоциациях. Но даже на основе тех скудных данных, которые были обработаны, можно делать выводы о связи астероидов внутри ассоциаций. Поисковые исследования АСЗ пока значительно превосходят по количеству исследования, в которых изучаются физико-химические свойства астероидов.

В Третьей главе избранные ассоциации исследуются посредством изучения динамической эволюции астероидов. В главе дан краткий обзор работ, посвященных миграции астероидов в околоземное пространство с периферии Солнечной системы, описаны основные источники пополнения популяции АСЗ и результаты исследования динамической эволюции избранных ассоциаций астероидов.

В качестве примера для исследования динамической эволюции была выбрана ассоциация астероидов №1 ( 20255/1998 FX2, 38071/1999 GU3, 2008 EX84, 1221/Amor, 2009 CC3, 2608/Seneca, 141354/2002 AJ29).

Моделирование проводилось с помощью методов симплектического интегрирования [3] на интервале времени один миллион семьсот тысяч лет в прошлое.

Рис. 3. Изменение эксцентриситета у астероидов ассоциации № При обработке результатов были сделаны довольно интересные выводы. Было обнаружено, что орбитальная эволюция большинства объектов выбранной ассоциации начинается на орбитах несвойственных для астероидов. Эти орбиты являются вытянутыми, с большим значением эксцентриситета (рис. 3), причем точка перигелия находится в области внутренних планет, а афелий лежит вблизи орбиты Юпитера (рис. 4). Такое положение орбиты характерно для комет семейства Юпитера.

Проведенное моделирование показало, что данные объекты попадают в вековой резонанс v5 с Юпитером, после чего они выталкиваются на орбиты с меньшим афелием, постепенно снижается величина эксцентриситета, и объекты переходят в разряд АСЗ.

Рис. 4. Изменение афелия у астероидов ассоциации № Для подтверждения гипотезы о кометном происхождении ассоциации №1 было проведено исследование виртуальных астероидов для данной ассоциации. Для каждого реального астероида было смоделировано виртуальных, исходя из ошибок неопределенности орбит. Таким образом, исследовалось 70 виртуальных астероидов для всей ассоциации на интервале времени в два миллиона лет в прошлое. Исследование показало, что 45 виртуальных астероидов изменили астероидную орбиту на орбиту комет семейства Юпитера. Поэтому, исходя из результатов, полученных при моделировании виртуальных астероидов, можно предположить, с большой долей уверенности, что ассоциация №1 может иметь кометное происхождение.

Анализ работ, в которых были рассмотрены некоторые астероиды из ассоциации №1, также позволяет сделать предположение, что часть астероидов может иметь кометное происхождение. Данное предположение является не новым, но нам удалось подтвердить на примере реальных наблюдений, что часть АСЗ может являться угасшими кометами.

Кроме ассоциаций, в третьей главе рассматривались обнаруженные пары астероидов внутри полученных ассоциаций. Среди всех полученных ассоциаций были найдены 7 пар астероидов, имеющих очень близкие орбитальные параметры. По нашему предположению таких близких пар астероидов среди АСЗ должно быть во много раз больше, но основная цель работы, а именно поиск ассоциаций с количеством членов более пяти, не позволил выявить все такие пары астероидов. Для пары астероидов BQ35 и 2007 PQ9 был проведен анализ орбитальной эволюции на интервале времени в семьсот тысяч лет в прошлое, и обнаружен интервал времени, в течение которого данная пара астероидов могла образоваться.

Рис.5. Изменение большой полуоси у астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ (ассоциация 26).

Рис. 6. Изменение эксцентриситетов у астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ (ассоциация 26).

Анализ схожих орбитальных параметров (рис. 5 и рис. 6) может указывать на то, что эти два астероида образовались в результате распада родительского тела.

Рис. 7. Изменение разности средних аномалий у астероидов 2003 BQ и 2007 PQ9 (ассоциация 26).

Для определения момента распада был построен график изменения разности средних аномалий двух астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ9 (рис. 7).

После момента времени -17 тысяч лет от текущего момента разность средних аномалий стремится к нулю. Этот момент времени можно принять за момент распада одного родительского тела на две части.

Для другой пары астероидов 2007 EU и 2009 DZ также было проведено исследование динамической эволюции орбиты и выявлен момент времени, после которого орбиты стали занимать близкие положения.

Результаты, полученные при изучении пар астероидов, позволяют сделать предположение, что пополнение популяции АСЗ происходит не только за счет миграции астероидов из Главного пояса, но и за счет разрушений астероидов на этапе существования внутри популяции АСЗ.

В Четвертой главе приводится описание созданного программного комплекса, позволившего обработать данные об астероидах для проведенного исследования. Также приводится обзор других программных комплексов и информационных систем для анализа, хранения и обработки астрометрических и фотометрических данных об астероидах, существующих в России.

В ИНАСАН с 1995 г. проводится накопление данных о малых телах Солнечной системы, сближающихся с орбитой Земли. Эти данные поступают из различных информационных источников о кометах, метеорах, метеорных потоках и астероидах. Также используются данные о малых телах, получаемые из наблюдений, проводимых ИНАСАН.

С 2005 г. в ИНАСАН создан периодически обновляемый банк данных малых тел Солнечной системы (астероидов, комет, метеороидов), разработан ряд программ, автоматизирующих обновления банка данных и обработку результатов наблюдений. На этой основе создан прототип информационной системы (ИС), предназначенной решать задачи хранения, обработки и обмена информацией в рамках исследования проблем астероидно-кометной опасности. ИС, создаваемая в ИНАСАН и названная «Кластер», уже сейчас позволяет решать как задачи околоземной астрономии, связанные с прогнозированием столкновения Земли с опасным небесным телом, так и задачи эволюции вещества в Солнечной системе в космогоническом аспекте.

ИС «Кластер» состоит из базы данных и клиентского приложения, которое может быть установлено на неограниченное количество компьютеров. Данная информационная система при незначительной доработке может быть использована как распределенная ИС, и поэтому была предложена нами в качестве прототипа ИС для любого типа работ по проблемам астероидно-кометной опасности. К преимуществам ИС «Кластер» можно отнести многопользовательский режим работы, широкий спектр возможностей по статистическому анализу данных, возможности расчета исследуемых величин сразу для группы объектов, проведение анализа среди всех типов малых тел (астероидов, комет, метеороидов, метеоров и метеорных потоков). Данная информационная система постоянно развивается, добавляются новые методы обработки данных. В частности, наблюдения, ведущиеся в ИНАСАН, требуют расширения функциональных возможностей, ориентирующихся на обработку результатов наблюдений, выбора объектов наблюдений с учетом условий видимости, вычисления первоначальных орбит вновь открываемых объектов. Все эти возможности уже существуют и находятся на стадии встраивания в ИС и её интерфейс пользователя. Полученные с помощью информационной системы научные результаты были использованы для написания нескольких статей, в частности для определения ассоциаций среди АСЗ, прогнозирования движения астероидов вблизи больших планет.

В Заключении приводятся общие выводы по проделанной работе и результаты выполненного диссертационного исследования.

В Приложении I представлен перечень астероидов, образовавших ассоциации.

В Приложении II представлена таблица избранных астероидов, для которых возможны фотометрические наблюдения с помощью телескопов Zeiss-2000 на пике Терскол в ближайшее время. В результате исследования условий видимости астероидов для избранной ассоциации были получены следующие результаты. Наилучшим временем для наблюдения астероида 1221/Amor является лето 2012 года. Астероид будет виден на протяжении 2-х месяцев (июль-август 2012) на протяжении 4 часов каждую ночь. Для астероида 141354/2002 AJ29 август 2012 года будет являться лучшим моментом для исследования. для исследования астероида 38071/1999 GU январь 2011 года является лучшим моментом. Малые размеры астероидов 2009 CC3, 2008 EX84, 2608/Seneca, 20255/1998 FX2 являются помехой при фотометрическом исследовании. Исследование видимой звездной величины этих астероидов на интервале времени 2010-2012 годов показывает, что у данных астероидов максимальной видимой звездной величиной является двадцать вторая звездная величина. К сожалению, для данных астероидов не удастся получить фотометрические наблюдения на телескопе Zeiss-2000.

Основные результаты диссертации В настоящее время резко возрос интерес к исследованию популяции малых тел, сближающихся с Землей. Это обусловлено несколькими причинами. Первая – это угроза астероидно-кометной опасности для земной цивилизации. Вторая причина – фундаментальное изучение населенности Солнечной системы малыми телами, исследование путей миграции и эволюции. В диссертации проведено исследование всей популяции известных астероидов, сближающихся с Землей, на предмет выявления ассоциаций астероидов, имеющих близкие орбитальные параметры. В результате исследования было показано, что такие ассоциации среди АСЗ существуют, и механизмы образования таких ассоциаций такие же как и в Главном поясе астероидов. Исследование и анализ физических характеристик полученных ассоциаций астероидов позволяет говорить о недостаточном количестве таких данных для астероидов, сближающихся с Землей. На сегодняшний день сложилась такая ситуация, при которой количество открытых АСЗ увеличивается каждый день, а количество сведений о физических характеристиках не увеличивается. Поэтому на основании полученных результатов при исследовании ассоциаций можно ставить наблюдательные задачи для исследования АСЗ.

Проведенное исследование динамической эволюции астероидов в выбранной ассоциации позволило подтвердить механизм пополнения АСЗ за счет угасших комет. А поставленная наблюдательная задача для получения фотометрических данных позволит подтвердить или опровергнуть предположение о кометном происхождении выбранной ассоциации.

При исследовании всего набора полученных ассоциаций были выделены 7 пар астероидов, имеющие очень близкие орбитальные параметры. Результаты исследования динамической эволюции двух пар астероидов позволили, предположительно, открыть механизм пополнения популяции АСЗ за счет распада родительского астероида, находящегося на этапе АСЗ. Но близкие сближения астероидов с внутренними планетами позволяют стирать границы ассоциаций намного быстрее. Близкое расположение орбит может говорить о том, что пары астероидов могли образоваться относительно недавно.

Анализ работ по исследованию ассоциаций среди АСЗ позволяет заявить, что наша работа является одной из первых, в которой проведен поиск ассоциаций среди астероидов, сближающихся с Землей, и исследованы физические свойства астероидов, позволяющие судить об общем прошлом ассоциаций астероидов. А проведенное исследование орбитальной эволюции подтвердило родство рассмотренных астероидов.

Программный 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.

Публикации по теме диссертации 1. Нароенков С.А., Савиных В.П., Баканас Е.А., Краснорылов И.И.

Орбитальные характеристики астероидов, пересекающих орбиту Марса. В.П. //Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 2009 г. -С.31- 2. Нароенков С.А. Информационная система электронной обработки данных о малых телах Солнечной системы. // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. №3,2009 г.-С. 38 45.

3. Барабанов С.И., Нароенков С.А. «База данных физических и орбитальных свойств малых тел Солнечной системы: возможности исследований семейств астероидов» // Труды конференции «Околоземная астрономия 2005», г. Казань, -С. 154-158.

4. Нароенков С.А. ассоциаций астероидов, «Характеристики сближающихся с Марсом» //Труды международной конференции «Астрономия и всемирное наследие: через время и континенты». Казань: Казан. гос. ун-т, 2009. –С 104.

5. Нароенков С.А. Определение семейств астероидов, среди астероидов, сближающихся с орбитой Земли. //«Околоземная астрономия - 2007»: Сборник трудов конференции. Редакторы Л.В.

Рыхлова, В.К. Тарадий – Нальчик: Изд. М. и В. Котляровы, 2008.

с.152- 6. Баканас Е.С., Нароенков С.А. Моделирование потоков астероидов, сближающихся с планетами // Труды конференции 26-28 июня 2008 г. – «100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее» (Москва)..: ИДГ РАН, 2008. – с. 7. Нароенков С.А. Определение семейств астероидов, среди астероидов, сближающихся с орбитой Земли. // Известия ГАО, выпуск 4, 2009 г.-С. 240- Список литературы 1. Drummond, J. D., The D Discriminant and Near-Earth Asteroid Streams // 2000, Icarus, Volume 146, Issue 2, pp. 453- 2. Drummond, J. D., Earth-approaching asteroid streams // 1991, Icarus, vol. 89, Jan. 1991, p. 14- 3. Emel'yanenko V. An Explicit Symplectic Integrator for Cometary Orbits // 2002, Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, v. 84, Issue 4, p. 331- Учреждение Российской академии наук

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

На правах рукописи

УДК 523.44

Нароенков Сергей Александрович

Исследование комплексов малых тел

Солнечной системы, сближающихся с

планетами Земной группы

01.03.01 – Астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург – Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте астрономии РАН Научный руководитель: доктор физико-математических наук Рыхлова Лидия Васильевна Научный консультант: кандидат физико-математических наук Барабанов Сергей Иванович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Куликова Нелли Васильевна Обнинский институт атомной энергетики Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

кандидат физико-математических наук Алёшкина Екатерина Юрьевна Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН Ведущая организация: Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга (ГАИШ МГУ) Защита состоится 18 июня 2010 г. в 11 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 при Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, расположенном по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН (Санкт-Петербург, Пулковское шоссе 65, корп.1) Автореферат разослан 17 мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Милецкий Е.В Общая характеристика работы 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 малых тел Солнечной системы и путей их эволюции. С момента обнаружения первого астероида (1801 г) в течение лет астрономы визуально открыли 322 малые планеты. В 1891 году Макс Вольф открыл первый фотографический астероид (№323). Ровно через 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 несколько тысяч 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 и метеорах. В результате тщательного изучения особенностей движения, физической природы и взаимосвязи различных групп малых тел, чему значительно способствовало применение новых численных методов небесной механики, все полнее раскрываются характерные черты этих замечательных образований. Вопросы природы, эволюции, происхождения малых тел Солнечной системы привлекают все более широкое внимание астрономов, а изучение астероидов приобретает значение одной из проблем Солнечной системы.

Поиск ассоциаций среди астероидов, метеороидов и комет, сближающихся с Землей, является интереснейшей задачей. На 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 ассоциации, 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».

Термин «семейство астероидов» чаще всего употребляется в названиях групп астероидов Главного пояса со схожими орбитальными параметрами и физическими свойствами. Термином «ассоциация астероидов» называются группы астероидов, имеющие общие орбитальные параметры, но без подтверждения физических свойств [1].

Астероиды, сближающиеся с Землей (АСЗ), можно рассматривать как постоянный источник астероидной опасности. Динамическая эволюция астероида, разрушения тел в результате гравитационного влияния планет, либо столкновения между астероидами порождают ассоциации астероидов, которые могут угрожать Земле. Изменение орбитальных параметров может привести к тому, что астероид столкнется с Землей. Имея в наличии средние параметры орбиты для ассоциаций среди АСЗ, мы сможем сравнить эти параметры орбиты с параметрами орбит метеоритов, упавших на Землю, для того чтобы определить наиболее опасные ассоциации и узнать, не падали ли какие-либо объекты данной ассоциации в прошлом.

Наконец, исследование астероидов и других малых тел позволяет подойти к выяснению прошлого и настоящего Солнечной системы.

Цель диссертации 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 известных астероидов, сближающихся с Землей, выросло в 10 раз. Поиск ассоциаций среди АСЗ последний раз был проведен в работе Драммонда в 2000 году [1]. 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 (D-критерия). Основная проблема при использовании D критерия - это обоснование порогового значения критерия или, что то же самое, нахождение точных границ ассоциации. В данной работе представлен метод точного определения окончательного порогового значения критерия, представлены результаты нахождения ассоциаций по предложенному алгоритму. Выделено 111 ассоциаций астероидов среди АСЗ. Исследована динамическая эволюция нескольких ассоциаций астероидов среди АСЗ и сделаны предположения о происхождении этих ассоциаций. Разработана также 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.

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 интервале 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 полуось, эксцентриситет, (большая наклонение, долгота восходящего узла, аргумент перигелия, средняя аномалия) может 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 PQ 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 комплексы не обладают достаточной функциональностью для решения задач выделения и исследования ассоциаций. Разработанный программный комплекс позволил провести ряд научных исследований астероидов, сближающихся с Землей.

Апробация результатов Основные результаты диссертации доложены 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, г., Международная конференция 2009 «Околоземная астрономия - 2009», Казань, 2009 г., «Malta Symposium on Hazardous Near Earth Asteroids», Vallete, October 12-16, 2009, на Объединенном семинаре в ИНАСАН, семинаре "Проблемы происхождения и эволюции кометно астероидного вещества в Солнечной системе и проблема астероидной опасности " в ИНАСАН. Программный 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.

Содержание работы Во Введении обосновывается актуальность работы, связанная с возрастающим количеством известных объектов в Солнечной системе.

Формулируются основные цели исследований, проведенных в процессе подготовки 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 и ассоциаций астероидов, такие как иерархический кластерный метод, метод вейвлет анализа, динамический критерий D-критерий, а также несколько новых методов – модифицированный иерархический кластерный метод, и аналог D-критерия, функция расстояния между орбитами, предложенный К.В. Холшевниковым. Сравниваются существующие методы выделения групп астероидов с близкими орбитальными параметрами и делаются выводы о необходимости модификации существующих методов, с целью уточнения границ ассоциаций. Также в первой главе проводится обобщение работ, связанных с исследованиями физических характеристик астероидов Главного пояса, которые доказывают, что семейства астероидов являются результатом распада родительского тела.

В первой главе делается вывод о том, что исследованию астероидов с близкими орбитальными параметрами среди АСЗ уделяется очень мало внимания. Это связано с тем, что количество новых данных об АСЗ выросло многократно лишь совсем недавно, за последние несколько лет.

Такое количество данных уже позволяет находить ассоциации, которые образовались в результате динамических процессов, происходящих с объектами, сближающимися с Землей. Поэтому задачи определения ассоциаций астероидов среди АСЗ очень актуальны.

Во Второй главе приводится описание предложенной методики определения ассоциаций среди АСЗ, а также методика уточнения границ ассоциаций, описываются полученные результаты и проводится анализ имеющихся данных о физических характеристиках астероидов, попавших в ассоциации с целью выяснения возможного общего прошлого ассоциации.

Для построения алгоритма выделения ассоциаций были использованы методы кластерного анализа. Для определения близости орбит был использован критерий Драммонда [2], который более других приспособлен для выявления близких орбит среди околоземных объектов. Мы ограничились при этом рассмотрением только статистически значимых ассоциаций с количеством астероидов более 5 штук. Это помогло сконцентрировать внимание на более крупных ассоциациях, и убрать мелкие ассоциации из рассмотрения.

Алгоритм поиска был составлен следующим образом:

Введем определения для поиска ассоциаций среди малых тел: пусть Ok={q,e,w,i,Node}k, k=1...N, набор из N орбит малых тел, среди которых будем искать ассоциации. Пусть Om – изначальная орбита, для которой ведется поиск ассоциаций. Пусть Dkm -расстояние между орбитами Ok и Om. Тогда ассоциацией будем считать подмножество орбит, для которых Dkm Dc.

Примем за начальное значение Dc=0.13, определенное Драммондом. На первом шаге возьмем объект Оk (k=1) из выборки N астероидов.

Обозначим его как изначальный объект Om. Рассчитаем расстояние Dkm между орбитами для всех пар астероидов Om и Оk (k=2…N). Обозначим через множество S все астероиды, для которых выполняется условие Dkm Dc. Количество астероидов, для которых выполняется это условие, обозначим как M. Для этого множества S рассчитаем параметры средней орбиты по формуле M x X= i M, где величина xi соответствует элементам орбиты астероида i = e, I, q, w, Node. На втором шаге присвоим Om значение средней орбиты подмножества S и снова рассчитаем расстояние Dkm между орбитами для всех пар астероидов Om и Оk (k=1…N). Переобозначим через множество S все астероиды, для которых выполняется условие Dkm Dc. Количество астероидов, для которых выполняется это условие, обозначим как M. Для этого множества S снова рассчитаем параметры средней орбиты по M x X= i M формуле, где величина xi соответствует элементам орбиты i = астероида e, I, q, w, Node. Будем повторять шаг 2 до тех пор, пока центр подмножества S не сойдется в одну точку, т.е от шага к шагу не перестанут изменяться параметры средней орбиты X. В итоге у нас получится подмножество объектов с близкими элементами орбит, которое группируется вокруг одного центра. На последнем шаге необходимо будет определить точные границы ассоциации астероидов. Для этого построим гистограмму всех Dkm, полученных на последнем шаге. Наша исходная ассоциация должна быть четко различима на гистограмме, как множество объектов с близкими параметрами Dkm и отличаться от всего прочего набора объектов. Такая ассоциация в дальнейшем удаляется из поиска.

Также удаляются из поиска объекты, для которых не были обнаружены пары с условием Dkm Dc.

Для пояснения последнего шага алгоритма выделения семейства приведем пример. На рисунках 1 и 2 представлена гистограмма значений Dkm для ассоциации астероида 1627/ Ivar.

Рис. 1. Гистограмма значений Dkm. Исходный объект 1627/Ivar.

На рисунке 1 можно видеть распределения всех значений Dkm для всех астероидов, участвовавших в исследовании. На рисунке 2 представлена та же самая гистограмма, но только в увеличенном масштабе, интервал от до 0.3.

Рис. 2. Гистограмма значений Dkm. Исходный объект 1627/Ivar, увеличенный масштаб.

Методику уточнения границ ассоциации можно представить так. Как видно из рисунка 2, ближе всего к средней орбите находятся несколько астероидов, которые создают искомую ассоциацию объектов. После величины Dkm 0.09 на гистограмме виден разрыв значений Dkm. Это означает, что между нашей искомой ассоциацией и оставшимся набором астероидов существует граница, после которой происходит изменение в характере распределении значений Dkm. На этом основании мы отделяем выделенную ассоциацию от всего набора рассмотренных объектов.

Выделенная ассоциация исключается из дальнейшего рассмотрения, и весь алгоритм повторяется для поиска следующих ассоциаций.

Первой отличительной особенностью нашего метода выделения ассоциаций астероидов является уточнение границ ассоциации на последнем шаге алгоритма. Такой подход помогает точно определить границы ассоциации и отсеять лишние астероиды, так называемый шум.

Другой отличительной особенностью нашего метода от методов, которыми были обнаружены ассоциации в Главном поясе астероидов, является использование оскулирующих, а не собственных значений элементов орбиты. Использование оскулирующих элементов орбиты больше подходит для задачи определения ассоциаций среди АСЗ. Четко выраженные собственные элементы у астероидов Главного пояса обуславливаются наличием в их движении лишь вековых возмущений и отсутствием близких сближений с планетами. Околоземные же астероиды время от времени сближаются с планетами, вследствие чего изменяются орбитальные параметры, а влияние вековых возмущений не так важно, как влияние внутренних планет.

В результате исследования, проведенного в работе, были получены ассоциаций астероидов, а общее количество исследованных АСЗ равнялось 6127. Общее количество астероидов попавших в ассоциации равнялось В этой главе приводятся примеры гистограмм нескольких 1023.

обнаруженных ассоциаций. Также приводится список средних значений орбит для всех полученных ассоциаций.

Для подтверждения схожести астероидов внутри ассоциаций, был проведен поиск и анализ данных о физических характеристиках астероидов из найденных ассоциаций. Были собраны и проанализированы имеющиеся данные о таксономических характеристиках астероидов, попавших в ассоциации, а также было проведено исследование и анализ цветовых характеристик астероидов из каталога подвижных объектов Слоановского цифрового обзора неба (SDSS moving object catalog). К сожалению, анализ данных из каталогов таксономических данных и цветовых параметров показал, что количество знаний о физических характеристиках исследуемых объектов пока недостаточно и не позволяет точно говорить о схожести происхождения для большинства астероидов в ассоциациях. Но даже на основе тех скудных данных, которые были обработаны, можно делать выводы о связи астероидов внутри ассоциаций. Поисковые исследования АСЗ пока значительно превосходят по количеству исследования, в которых изучаются физико-химические свойства астероидов.

В Третьей главе избранные ассоциации исследуются посредством изучения динамической эволюции астероидов. В главе дан краткий обзор работ, посвященных миграции астероидов в околоземное пространство с периферии Солнечной системы, описаны основные источники пополнения популяции АСЗ и результаты исследования динамической эволюции избранных ассоциаций астероидов.

В качестве примера для исследования динамической эволюции была выбрана ассоциация астероидов №1 ( 20255/1998 FX2, 38071/1999 GU3, 2008 EX84, 1221/Amor, 2009 CC3, 2608/Seneca, 141354/2002 AJ29).

Моделирование проводилось с помощью методов симплектического интегрирования [3] на интервале времени один миллион семьсот тысяч лет в прошлое.

Рис. 3. Изменение эксцентриситета у астероидов ассоциации № При обработке результатов были сделаны довольно интересные выводы. Было обнаружено, что орбитальная эволюция большинства объектов выбранной ассоциации начинается на орбитах несвойственных для астероидов. Эти орбиты являются вытянутыми, с большим значением эксцентриситета (рис. 3), причем точка перигелия находится в области внутренних планет, а афелий лежит вблизи орбиты Юпитера (рис. 4). Такое положение орбиты характерно для комет семейства Юпитера.

Проведенное моделирование показало, что данные объекты попадают в вековой резонанс v5 с Юпитером, после чего они выталкиваются на орбиты с меньшим афелием, постепенно снижается величина эксцентриситета, и объекты переходят в разряд АСЗ.

Рис. 4. Изменение афелия у астероидов ассоциации № Для подтверждения гипотезы о кометном происхождении ассоциации №1 было проведено исследование виртуальных астероидов для данной ассоциации. Для каждого реального астероида было смоделировано виртуальных, исходя из ошибок неопределенности орбит. Таким образом, исследовалось 70 виртуальных астероидов для всей ассоциации на интервале времени в два миллиона лет в прошлое. Исследование показало, что 45 виртуальных астероидов изменили астероидную орбиту на орбиту комет семейства Юпитера. Поэтому, исходя из результатов, полученных при моделировании виртуальных астероидов, можно предположить, с большой долей уверенности, что ассоциация №1 может иметь кометное происхождение.

Анализ работ, в которых были рассмотрены некоторые астероиды из ассоциации №1, также позволяет сделать предположение, что часть астероидов может иметь кометное происхождение. Данное предположение является не новым, но нам удалось подтвердить на примере реальных наблюдений, что часть АСЗ может являться угасшими кометами.

Кроме ассоциаций, в третьей главе рассматривались обнаруженные пары астероидов внутри полученных ассоциаций. Среди всех полученных ассоциаций были найдены 7 пар астероидов, имеющих очень близкие орбитальные параметры. По нашему предположению таких близких пар астероидов среди АСЗ должно быть во много раз больше, но основная цель работы, а именно поиск ассоциаций с количеством членов более пяти, не позволил выявить все такие пары астероидов. Для пары астероидов BQ35 и 2007 PQ9 был проведен анализ орбитальной эволюции на интервале времени в семьсот тысяч лет в прошлое, и обнаружен интервал времени, в течение которого данная пара астероидов могла образоваться.

Рис.5. Изменение большой полуоси у астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ (ассоциация 26).

Рис. 6. Изменение эксцентриситетов у астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ (ассоциация 26).

Анализ схожих орбитальных параметров (рис. 5 и рис. 6) может указывать на то, что эти два астероида образовались в результате распада родительского тела.

Рис. 7. Изменение разности средних аномалий у астероидов 2003 BQ и 2007 PQ9 (ассоциация 26).

Для определения момента распада был построен график изменения разности средних аномалий двух астероидов 2003 BQ35 и 2007 PQ9 (рис. 7).

После момента времени -17 тысяч лет от текущего момента разность средних аномалий стремится к нулю. Этот момент времени можно принять за момент распада одного родительского тела на две части.

Для другой пары астероидов 2007 EU и 2009 DZ также было проведено исследование динамической эволюции орбиты и выявлен момент времени, после которого орбиты стали занимать близкие положения.

Результаты, полученные при изучении пар астероидов, позволяют сделать предположение, что пополнение популяции АСЗ происходит не только за счет миграции астероидов из Главного пояса, но и за счет разрушений астероидов на этапе существования внутри популяции АСЗ.

В Четвертой главе приводится описание созданного программного комплекса, позволившего обработать данные об астероидах для проведенного исследования. Также приводится обзор других программных комплексов и информационных систем для анализа, хранения и обработки астрометрических и фотометрических данных об астероидах, существующих в России.

В ИНАСАН с 1995 г. проводится накопление данных о малых телах Солнечной системы, сближающихся с орбитой Земли. Эти данные поступают из различных информационных источников о кометах, метеорах, метеорных потоках и астероидах. Также используются данные о малых телах, получаемые из наблюдений, проводимых ИНАСАН.

С 2005 г. в ИНАСАН создан периодически обновляемый банк данных малых тел Солнечной системы (астероидов, комет, метеороидов), разработан ряд программ, автоматизирующих обновления банка данных и обработку результатов наблюдений. На этой основе создан прототип информационной системы (ИС), предназначенной решать задачи хранения, обработки и обмена информацией в рамках исследования проблем астероидно-кометной опасности. ИС, создаваемая в ИНАСАН и названная «Кластер», уже сейчас позволяет решать как задачи околоземной астрономии, связанные с прогнозированием столкновения Земли с опасным небесным телом, так и задачи эволюции вещества в Солнечной системе в космогоническом аспекте.

ИС «Кластер» состоит из базы данных и клиентского приложения, которое может быть установлено на неограниченное количество компьютеров. Данная информационная система при незначительной доработке может быть использована как распределенная ИС, и поэтому была предложена нами в качестве прототипа ИС для любого типа работ по проблемам астероидно-кометной опасности. К преимуществам ИС «Кластер» можно отнести многопользовательский режим работы, широкий спектр возможностей по статистическому анализу данных, возможности расчета исследуемых величин сразу для группы объектов, проведение анализа среди всех типов малых тел (астероидов, комет, метеороидов, метеоров и метеорных потоков). Данная информационная система постоянно развивается, добавляются новые методы обработки данных. В частности, наблюдения, ведущиеся в ИНАСАН, требуют расширения функциональных возможностей, ориентирующихся на обработку результатов наблюдений, выбора объектов наблюдений с учетом условий видимости, вычисления первоначальных орбит вновь открываемых объектов. Все эти возможности уже существуют и находятся на стадии встраивания в ИС и её интерфейс пользователя. Полученные с помощью информационной системы научные результаты были использованы для написания нескольких статей, в частности для определения ассоциаций среди АСЗ, прогнозирования движения астероидов вблизи больших планет.

В Заключении приводятся общие выводы по проделанной работе и результаты выполненного диссертационного исследования.

В Приложении I представлен перечень астероидов, образовавших ассоциации.

В Приложении II представлена таблица избранных астероидов, для которых возможны фотометрические наблюдения с помощью телескопов Zeiss-2000 на пике Терскол в ближайшее время. В результате исследования условий видимости астероидов для избранной ассоциации были получены следующие результаты. Наилучшим временем для наблюдения астероида 1221/Amor является лето 2012 года. Астероид будет виден на протяжении 2-х месяцев (июль-август 2012) на протяжении 4 часов каждую ночь. Для астероида 141354/2002 AJ29 август 2012 года будет являться лучшим моментом для исследования. для исследования астероида 38071/1999 GU январь 2011 года является лучшим моментом. Малые размеры астероидов 2009 CC3, 2008 EX84, 2608/Seneca, 20255/1998 FX2 являются помехой при фотометрическом исследовании. Исследование видимой звездной величины этих астероидов на интервале времени 2010-2012 годов показывает, что у данных астероидов максимальной видимой звездной величиной является двадцать вторая звездная величина. К сожалению, для данных астероидов не удастся получить фотометрические наблюдения на телескопе Zeiss-2000.

Основные результаты диссертации В настоящее время резко возрос интерес к исследованию популяции малых тел, сближающихся с Землей. Это обусловлено несколькими причинами. Первая – это угроза астероидно-кометной опасности для земной цивилизации. Вторая причина – фундаментальное изучение населенности Солнечной системы малыми телами, исследование путей миграции и эволюции. В диссертации проведено исследование всей популяции известных астероидов, сближающихся с Землей, на предмет выявления ассоциаций астероидов, имеющих близкие орбитальные параметры. В результате исследования было показано, что такие ассоциации среди АСЗ существуют, и механизмы образования таких ассоциаций такие же как и в Главном поясе астероидов. Исследование и анализ физических характеристик полученных ассоциаций астероидов позволяет говорить о недостаточном количестве таких данных для астероидов, сближающихся с Землей. На сегодняшний день сложилась такая ситуация, при которой количество открытых АСЗ увеличивается каждый день, а количество сведений о физических характеристиках не увеличивается. Поэтому на основании полученных результатов при исследовании ассоциаций можно ставить наблюдательные задачи для исследования АСЗ.

Проведенное исследование динамической эволюции астероидов в выбранной ассоциации позволило подтвердить механизм пополнения АСЗ за счет угасших комет. А поставленная наблюдательная задача для получения фотометрических данных позволит подтвердить или опровергнуть предположение о кометном происхождении выбранной ассоциации.

При исследовании всего набора полученных ассоциаций были выделены 7 пар астероидов, имеющие очень близкие орбитальные параметры. Результаты исследования динамической эволюции двух пар астероидов позволили, предположительно, открыть механизм пополнения популяции АСЗ за счет распада родительского астероида, находящегося на этапе АСЗ. Но близкие сближения астероидов с внутренними планетами позволяют стирать границы ассоциаций намного быстрее. Близкое расположение орбит может говорить о том, что пары астероидов могли образоваться относительно недавно.

Анализ работ по исследованию ассоциаций среди АСЗ позволяет заявить, что наша работа является одной из первых, в которой проведен поиск ассоциаций среди астероидов, сближающихся с Землей, и исследованы физические свойства астероидов, позволяющие судить об общем прошлом ассоциаций астероидов. А проведенное исследование орбитальной эволюции подтвердило родство рассмотренных астероидов.

Программный 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.

Публикации по теме диссертации 1. Нароенков С.А., Савиных В.П., Баканас Е.А., Краснорылов И.И.

Орбитальные характеристики астероидов, пересекающих орбиту Марса. В.П. //Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 2009 г. -С.31- 2. Нароенков С.А. Информационная система электронной обработки данных о малых телах Солнечной системы. // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. №3,2009 г.-С. 38 45.

3. Барабанов С.И., Нароенков С.А. «База данных физических и орбитальных свойств малых тел Солнечной системы: возможности исследований семейств астероидов» // Труды конференции «Околоземная астрономия 2005», г. Казань, -С. 154-158.

4. Нароенков С.А. ассоциаций астероидов, «Характеристики сближающихся с Марсом» //Труды международной конференции «Астрономия и всемирное наследие: через время и континенты». Казань: Казан. гос. ун-т, 2009. –С 104.

5. Нароенков С.А. Определение семейств астероидов, среди астероидов, сближающихся с орбитой Земли. //«Околоземная астрономия - 2007»: Сборник трудов конференции. Редакторы Л.В.

Рыхлова, В.К. Тарадий – Нальчик: Изд. М. и В. Котляровы, 2008.

с.152- 6. Баканас Е.С., Нароенков С.А. Моделирование потоков астероидов, сближающихся с планетами // Труды конференции 26-28 июня 2008 г. – «100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее» (Москва)..: ИДГ РАН, 2008. – с. 7. Нароенков С.А. Определение семейств астероидов, среди астероидов, сближающихся с орбитой Земли. // Известия ГАО, выпуск 4, 2009 г.-С. 240- Список литературы 1. Drummond, J. D., The D Discriminant and Near-Earth Asteroid Streams // 2000, Icarus, Volume 146, Issue 2, pp. 453- 2. Drummond, J. D., Earth-approaching asteroid streams // 1991, Icarus, vol. 89, Jan. 1991, p. 14- 3. Emel'yanenko V. An Explicit Symplectic Integrator for Cometary Orbits // 2002, Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, v. 84, Issue 4, p. 331-