Obiekty zbliżające się do Ziemi, cz.I - konspekt wykładu

Autorem tego opracowania jest dr Piotr A. Dybczyński z Instytutu Obserwatorium Astronomiczne UAM w Poznaniu.

NEO: obiekty zbliżające się do Ziemi (czasami za bardzo), cz. I

Nazewnictwo i klasyfikacja NEAs

Planetoidy, asteroidy, planetki, małe planety, planety karłowate ... NEAs (Near Earth Asteroids), NEOs (Near Earth Objects), ECAs (Earth Crossing Asteroids), PHAs (Potentially Hazardous Asteroids, MOID<0.05 AU i D>150 m ).

Dzielimy je nieco sztucznie na trzy grupy:

• typu Amora - przecinają orbitę Marsa ale nie Ziemi, peryhelia od 1.017 do 1.3 AU
• typu Apolla - przecinają orbitę Ziemi, kilka podchodzi nawet bliżej Słońca niż Merkury, a >= 1 AU ale q < 1.017 AU
• typu Atena (Athona?) - a < 1 AU, Q > 0,983 AU (0,983 to najmniejsza a 1.017 to największa odl. Ziemi od Słońca)

Grupy te nie są odseparowane, możliwe jest przechodzenie pomiędzy nimi, często są wspólnie nazywane Apollo-Amor-Aten objects lub NEAs.

Sąsiedztwo Ziemi

Kto odkrywa NEAs? LINEAR, Spacewatch, NEAT, LONEOS, Catalina Sky Survey.

Poniższe obrazki pochodzą z materiału: NEAR-EARTH ASTEROID DISCOVERY STATISTICS.

Trochę historii tych projektów

LINEAR (http://www.ll.mit.edu/LINEAR/)

Lincoln Near-Earth Asteroid Research (LINEAR): we współpracy z Air Force, MIT's Lincoln Laboratory prowadzi projekt odkrywania NEOs używając 1 metrowego teleskopu GEODSS (Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance). Takie teleskopy o dużym polu widzenia zostały zaprojektowane dla Air Force do optycznych obserwacji statków kosmicznych.

Teleskop uruchomiono w Lincoln Laboratory, Socorro, New Mexico w roku 1996. Testy z małą, kamerą CCD pozwoliły odkryć pierwsze NEOs programu LINEAR. W 1997 zamontowano nową kamerę,w 1999 dodano drugi teleskop GEODSS a w 2002 trzeci, mniejszy do obserwacji follow-up. Teleskopy projektu LINEAR obserwują każdy fragment nieba 5 razy każdej nocy, ze szczególnym uwzględnieniem rejonu ekliptyki. Czułość i szybkość odczytu nowych kamer pozwala na pokrycie obserwacjami wielkich obszarów nieba każdej nocy. Skutkiem tego LINEAR długo przodował w odkryciach NEOs.

NEAT (http://neat.jpl.nasa.gov/)

NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking) to projekt prowadzony przez NASA/Jet Propulsion Laboratory we współpracy z U.S. Air Force używając teleskopu GEODSS zlokalizowanego w Haleakala na Hawajach.

Zespół opracował unikalną kamerę CCD (4096 x 4096 pix) o polu widzenia 1.2 x 1.6 stopni oraz rozbudowane oprogramowanie. NEAT zaczął obserwować w roku 1995 dzieląc noce z programami Air Force. W roku 2000 projekt przeniesiono na pobliski 1,2 metrowy teleskop AMOS uzyskując więcej czasu obserwacyjnego.

Od kwietnia 2001 do projektu dołączył 1.2 metrowy teleskop Schmidta na Mt Palomar. Teleskop ten ma trzy kamery CCD (4096x4096 pix).

W ramach projektu NEAR opracowano system SkyMorph dla poszukiwania obserwacji “pre-discovery”. System przeszukuje ok. 40 000 ramek CCD projektu NEAT i zbiorów Digitized Sky Survey (DSS i DSS2)

SPACEWATCH (http://spacewatch.lpl.arizona.edu/)

Początki to 90 cm, stary teleskop w Kitt Peak, Arizona w 1984. Pierwszym detektorem była kamera CCD 320x521 pix, zamieniona w 1989 na nowszą (2048x2048), pole widzenia 38 minut katowych, zasięg 20.5 magnitudo.

W 1992 wymieniono kamerę na czulszą, sięgając do 21 mag. Teleskop obserwował niebo z zatrzymanym ruchem gwiazdowym, skanując ok. 200 stopni kwadratowych miesięcznie. Każdy rejon skanowano trzykrotnie w odstępach ok. półgodzinnych.

Projekt Spacewatch odkrył wiele małych NEOs, włącznie z dziesięciometrową planetoidą (1994 XM1), która przeszła 105,000 km od Ziemi 9 grudnia, 1994. W maju 2001 do pracy włączył się nowy teleskop 1.8 metra o dużym polu widzenia. Pod koniec 2002 stary teleskop wyposażono w nowa kamerę (cztery mozaiki po 4608 x 2048 pix) i zmodyfikowano system optyczny by otrzymać pole widzenia prawie 3 stopnie kwadratowe.

Poza badaniami NEOs grupa Spacewatch zajmuje się też badaniem Centaurów i obiektów Trans-Neptunowych. Kitt Peak, widok na południe.

Ciekawsze odkrycia Spacewatch

• 2003, 20 września - odkryto 2003 SW130. To najmniejszy wtedy, odkryty obiekt NEO, 5-9 metrów średnicy.
• 2000, 28 listopada - odkryto TNO Varuna (2000 WR₁₀₆), jeden z największych obiektów transneptunowych (ok. 900 km średnicy).
• 2000, 1 maja - odnaleziono dawno zaginioną planetoidę (719) Albert.
• 2000, 28 stycznia - odkryto obiekt 2000 BF₁₉, który teoretycznie może uderzyć w Ziemię w roku 2055.
• 1997, 6 grudnia - odkryto obiekt 1997 XF₁₁. Początkowy alarm ogłaszał zderzenie z Ziemią 26 października 2028. Po uwzględnieniu odnalezionych obserwacji z 1990 alarm odwołano.

LONEOS (http://asteroid.lowell.edu/asteroid/loneos/loneos.html)

Program LONEOS (Lowell Observatory Near-Earth Object Search) rozpoczął działanie w roku 1993.

LONEOS używa 0.6-metrowego, f/1.8 teleskopu Schmidta, umieszczonego we Flagstaff w Arizonie.

Teleskop wyposażony był w kamerę CCD (4K x 4K) o polu widzenia 2.9 x 2.9 stopni.

Wykonywane jest czterokrotne skanowanie każdego obszaru (do jasności ok. 19 mag), obejmując całe widoczne niebo w ciągu miesiąca.

W latach 1999 – 2000 efektywność odkrywania znacząco wzrosła dzięki zmianie kamery i oprogramowania. Teleskop LONEOS

Ciekawsze odkrycia LONEOS

• 20 maja 2004 - odkrycia obiektu 2004 JG6, jednego z dwóch mających orbitę całkowicie wewnątrz orbity Ziemi
• 15 października 2003 - odnalezienie zagubionej planetoidy (1937 UB) Hermes
• wrzesień 2003 - odkrycie obiektu 2003 SQ222, który 27 sierpnia przeszedł 88000 km od Ziemi.
• sierpień 2001 - odkrycie dużego (10-15 km średnicy) Earth-crossera – 2001 OG108, (jest to damocloid - czyli obiekt o orbicie typu komety Halley-a)

Catalina Sky Surveys http://www.lpl.arizona.edu/css/

Catalina Sky Surveys (CSS) wykorzystuje trzy zmodernizowane teleskopy, każdy wyposażony w wielokanałową, super-chłodzoną kamerę CCD (4K x4K): Oryginalny Catalina Sky Survey (CSS) używa 0.7-metrowego, f/1.8 teleskopu Schmidta o polu 2.9 x 2.9 stopnia, zlokalizowanego w Steward Observatory Catalina Station (2510m npm, 20 km od Tucson, Arizona).

The Siding Spring Survey (SSS) używa Uppsala 0.5-m f/3.5 teleskopu Schmidta z polem 2.0 x 2.0 stopnia wspólnie z Australian National University Research School for Astronomy and Astrophysics. Teleskop stoi w Siding Spring Observatory, Australia (1150m npm),

The Mt. Lemmon Survey (MLS) używa 1.5-metrowego f/2.0 teleskopu o polu 1.0 x 1.0 stopnia, zlokalizowanego w Steward Observatory Mt. Lemmon station (2790-m npm, 18 km od Tucson). Teleskop 1.5-m na Mt. Lemmon i 1.0-m w Siding Spring używane są również do astrometrycznych obserwacji follow-up i do obserwacji fizycznych parametrów interesujących NEOs.

Ile tego jest?

Do 12 lutego 2010 roku odkryto 6708 indywidualnych obiektów zbliżających się do Ziemi.
Planetoid typu Amora mamy 2802, typu Apolla 3355 i 551 planetoid typu Atena.
Spośród wszystkich znanych obiektów 1087 zakwalifikowano jako PHA.

Aktualizacja: http://www.cfa.harvard.edu/iau/lists/Unusual.html

Ile tego może być ?

Potencjalne skutki zderzenia

• Energia poniżej 10 MT - bryły kamienne eksplodują w górnych warstwach atmosfery, do powierzchni docierają jedynie resztki meteorytów żelaznych (bomba jądrowa w Hiroshimie miała ok. 20 kT).
• Energia 10 - 100 MT (D=75 m, co 1000 lat) - bryły żelazne tworzą kratery (Barringer), kamienne eksplodują ponad ziemią (Tunguska). Uderzenie w ląd niszczy obszar wielkiego miasta (Londyn, Moskwa).
• Energia 10² - 10³ MT (D=160 m, co 4000 lat) - planetoidy powodują eksplozje na powierzchni ziemi, komety w atmosferze. Uderzenie w ocean wywołuje fale tsunami. Uderzenia w ląd niszczy obszar wielkiej aglomeracji (Nowy Jork, Tokio).
• Energia 10³ - 10⁴ MT (D=350 m, co 16000 lat) - uderzenia w ląd tworzą kratery rzędu 10 km, niszczą obszar niewielkiego państwa. Uderzenia w wodę wywołują tsunami na skalę całego oceanu.
• Energia 10⁴ - 10⁵ MT (D=700 m, co 63 tyś. lat) - tsunami na skalę półkuli, wielkie zniszczenia na lądzie(krater 15 km) na obszarze średniego państwa.
• Energia 10⁵ - 10⁶ MT (D=1.7 km, co 250 tyś. lat) - zapylenie atmosfery powoduje zmiany klimatyczne, tsunami na skalę globalną. Zniszczenie warstwy ozonowej. Na lądzie zniszczenia na obszarze dużego państwa (Francja, Japonia). 30 kilometrowy krater. Obiekt nie sięga dna tylko w najgłębszych miejscach oceanu.
• Energia 10⁶ - 10⁷ MT (D=3 km, co 1 mln lat) - globalne zmiany klimatyczne, wyrzut materii na skalę globalną, wielkie pożary, zniszczone znaczne obszary kontynentu.
• Energia 10⁷ - 10⁸ MT (D=7 km, co 10 mln lat) - długotrwałe zmiany klimatyczne, globalne pożogi, prawdopodobne masowe wymieranie. Bezpośrednie zniszczenia na skalę kontynentalną.
• Energia 10⁸ - 10⁹ MT (D=16 km, co 100 mln lat), wielkie wymieranie (np. K/T).
• Energia powyżej 10⁹ MT zagrożenie dla życia na Ziemi.

Eltanin

Dowody takiego spadku są widoczne na dnie oceanu. Pokazana mapa jest wynikiem komputerowej symulacji tego zdarzenia, wykonanej przez Stevena Warda. Mapa pokazuje falę tsunami w odstępach pięciogodzinnych. Początkowo fala ma wysokość ok. 70 metrów. Wstawka pokazuje przekrój "dziury w wodzie": szeroka na 60 km i sięga do dna na 5 km.

Znane kratery uderzeniowe

Źródła NEOs

Rozkład NEOs, Mars-crossers i planetoid głównego pasa (pierwszych 10000) w przestrzeni elementów. Kropki niebieskie to Mars-crossery ( 1.3 < q < 1.8, przetną orbitę Marsa w najbliższych 300000 lat). Planetoidy grup Apollo, Ateny i Amora to odpowiednio kropki czerwone, fioletowe i białe.

Na dolnym wykresie ciągła linia oznacza perihelium i aphelium równe 1 AU, przerywana to q=1.3 AU czyli granica grupy Amora. Kropkowana krzywa to parametr Tisseranda względem Jowisza T_J = 3.0 (dla i = 0°) - wyższe wartości mają komety rodziny jowiszowej. Pionowe linie przerywane pokazują lokalizację ważniejszych rezonansów. Położenie rezonansu ν₆ zależy od nachylenia, na dolnym panelu pokazano jego lokalizację dla i = 0°, na górnym oznaczono krzywą łamaną.

Planetoidy głównego pasa stają się "planet-crosserami" zwiększając swoje mimośrody na skutek oddziaływania różnych efektów rezonansowych. Najsilniejsze to wiekowy rezonans ν₆ na wewnętrznym skraju pasa oraz współmierności 3:1, 5:2 i 2:1 z Jowiszem.

ν₆ to współmierność precesji węzła planetoidy z szóstą wiekową częstością Układu Słonecznego (średnia precesja długości węzła Saturna i częstość wiekowych oscylacji mimośrodu Jowisza).

Rezonans ten w ciągu pół mln lat z orbity kołowej zrobi "Earth-crossera". 80% kończy zderzając się ze Słońcem, w międzyczasie (6.5 mln lat) mając 1% szansę na zderzenie z Ziemią.

Rezonans 3:1 z Jowiszem dla a=2.5 AU. Powoduje okresowe oscylacje mimośrodu lub jego chaotyczne, duże zmiany zależnie od ścisłości rezonansu. Orbita kołowa staje się "Earth-crosserem" średnio po 1 mln lat, a po następnych 2.5 mln lat 70% spada na Słońce. Prawdopodobieństwo zderzenia z Ziemią to 0.1%

Rezonans 5:2 z Jowiszem dla a=2.8 AU. Silniejszy i szerszy od poprzedniego, "Earth-crossera" produkuje średnio w 0.3 mln lat. 92% kończy na hiperbolach, ale w ciągu 0.4 mln lat jako NEO planetoida ma 0.025% szans na zderzenie z Ziemią rezonans 2:1 z Jowiszem dla a=3.28 AU działa słabiej i w znacznie dłuższych interwałach czasu dodatkowo "rozpraszająco" działa bardzo wiele innych węższych rezonansów (np. wyższych rzędów). Całkowanie numeryczne ruchu planetoidy głównego pasa spoza powyższych rezonansów daje średnio jednego "Mars-crossera" co milion lat. "Mars-crosserów" jest około cztery razy więcej niż NEOs.

Dynamiczne ścieżki NEOs

Czytaj: Asteroids III: Origin and Evolution of Near-Earth Objects, A. Morbidelli, W. F. Bottke Jr., Ch. Froeschlé, P. Michel (na pracowni lub tu).

Rotacja NEOs

W marcu 2004 ukazał się w Nature artykuł współautorstwa A.Kryszczyńskiej (Retrograde spins of near-Earth asteroids from the Yarkovsky effect,Nature 428, 400-401).

Pokazano, że rozkład orientacji osi rotacji NEOs zasadniczo różni się od rozkładu dla planetoid głównego pasa. Wyjaśnieniem jest efekt Yarkowskiego, jako jeden z mechanizmów transportu obiektów w obszar rezonansów.

Najciaśniejsze, zarejestrowane przejścia obiektów przy Ziemi są na bieżąco wpisywane na listę:

MPC-Closest Approaches to the Earth by Minor Planets.

Widać na niej sporo zupełnie świeżych dat - to efekt coraz większych możliwości obserwacyjnych i rejestracji coraz mniejszych obiektów. Rekord należy (póki co) to 2008 TC₃, który eksplodował w atmosferze i którego resztki znaleziono na powierzchni pustyni w Sudanie.

Jak informować?

Jak przewidywać?

Czytaj: Motion of the Minor Planet 4179 Toutatis: Can We Predict Its Collision with the Earth?, G. S i t a r s k i, ACTA ASTRONOMICA, Vol. 48 (1998) pp. 547-561.

Edytuj