Возмущения во вращательной динамике астероида (99942) Апофис при его сближении с Землей в 2029 году

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Посредством численного моделирования вращательной динамики астероида (99942) Апофис изучены возмущения, имеющие место во вращательном движении астероидов при их тесных сближениях с Землей. Такие события могут привести к существенным изменениям величины скорости собственного вращения астероида и ориентации его оси вращения в пространстве. В предположении, что фигура Апофиса аппроксимируется трехосным эллипсоидом, исследованы зависимости изменения периода вращения астероида от параметров орбиты и его вращательного состояния до сближения с Землей. Установлено, что величина периода вращения Апофиса, составляющая в настоящее время около 30 ч, может измениться из-за очередного сближения с Землей в 2029 г. весьма существенно – на 10–15 ч; в численных экспериментах наблюдалось как ускорение, так и замедление вращения астероида. Возмущения во вращательном движении астероида заметно влияют на его дальнейшую орбитальную динамику в результате изменения величины эффекта Ярковского. Сделан вывод, что в результате сближения средняя скорость изменения большой полуоси орбиты Апофиса, вызываемого действием эффекта Ярковского, составляющая в настоящее время около 200 м/год, может уменьшиться до 160 м/год или увеличиться до 300 м/год.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. С. Лобанова

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН; Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: melnikov@gaoran.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. В. Мельников

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

Email: melnikov@gaoran.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Батраков Ю.В., Медведев Ю.Д. О вращении астероида при его прохождении вблизи Земли // Тр. Всесоюз. совещания “Астероидная опасность”, ИТА РАН, СПб, 1992. С. 129–133.
  2. Борисов А.В., Мамаев И.С. Динамика твердого тела. М. – Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика. 2001. 384 с.
  3. Воропаев С.А., Джианго Я., Барриот Ж.П. Разрыв вытянутого малого тела приливными силами Земли при подлете: возможные сценарии // Астрон. вестн. 2020. Т. 54. № 2. С. 171–182. (Voropaev S.A. Jianguo Y., Barriot J.P. Prolate body disruption by Earth at near flyby: Possible scenarios // Sol. Syst. Res. 2020. V. 54. № 2. P. 155–166. https://doi.org/10.1134/S0038094620020082.) https://doi.org/10.31857/S0320930X20020097.
  4. Емельяненко В.В., Попова О.П., Чугай Н.Н., Шеляков М.А., Пахомов Ю.В., Шустов Б.М., Шувалов В.В., Бирюков Е.Е., Рыбнов Ю.С., Маров М.Я., Рыхлова Л.В., Нароенков С.А., Карташова А.П., Харламов В.А., Трубецкая И.А. Астрономические и физические аспекты Челябинского события 15 февраля 2013 г. // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 4. С. 262–277. (Emel’yanenko V.V., Popova O.P., Chugai N.N., Shelyakov M.A., Pakhomov Yu.V., Shustov B.M., Shuvalov V.V., Biryukov E.E., Rybnov Yu.S., Marov M. Ya., Rykhlova L.V., Naroenkov S.A., Kartashova A.P., Kharlamov V.A., Trubetskaya I.A. Astronomical and physical aspects of the Chelyabinsk event // Sol. Syst. Res. 2013. V. 47. № 4. P. 240–254. https://doi.org/10.1134/S0038094613040114) https://doi.org/10.7868/S0320930X13040130
  5. Куприянов В.В. Численно-экспериментальное исследование вращательной динамики спутников планет // Дисс. канд. физ.-мат. наук. СПб: ГАО РАН, 2014. 148 с.
  6. Мельников А.В. Вращательная динамика сближающихся с планетами астероидов // Астрон. вестн. 2022. Т. 56. № 4. С. 254–265. (Melnikov A.V. Rotational dynamics of asteroids approaching planets // Sol. Syst. Res. 2022. V. 56. № 4. P. 241–251. https://doi.org/10.1134/S0038094622040062) https://doi.org/10.31857/S0320930X22040065
  7. Мартюшева А.А., Мельников А.В. О влиянии сближений с планетами на величину эффекта Ярковского в динамике астероидов // Астрон. вестн. 2023. Т. 57. № 5. С. 479–488. (Martyusheva A.A., Melnikov A.V. Influence of planetary encounters on the magnitude of the Yarkovsky effect in asteroid dynamics // Sol. Syst. Res. 2023. V. 57. № 5. P. 486–494. https://doi.org/10.1134/S0038094623050052) https://doi.org/10.31857/S0320930X23050055
  8. Петров Н.А., Васильев А.А., Кутеева Г.А., Соколов Л.Л. О траекториях соударения астероидов 2015 RN35 и Апофис с Землей // Астрон. вестн. 2018. Т. 52. № 4. С. 330–342. (Petrov N.A., Vasil’ev A.A., Kuteeva G.A., Sokolov L.L. On the trajectories of asteroid encounters with the Earth for 2015 RN35 and Apophis // Sol. Syst. Res. 2018. V. 52. № 4. P. 326–337. https://doi.org/10.1134/S0038094618040032) https://doi.org/10.1134/S0320930X18040035
  9. Радзиевский В.В. Механизм разрушения астероидов и метеоритов // Астрон. журн. 1952. Т. 29. С. 162–170.
  10. Соколов Л.Л., Башаков А.А., Борисова Т.П., Петров Н.А., Питьев Н.П., Шайдулин В.Ш. Траектории соударения астероида Апофис с Землей в XXI веке // Астрон. вестн. 2012. Т. 46. № 4. С. 311–320. (Sokolov L.L., Bashakov A.A., Borisova T.P., Petrov N.A., Pitjev N.P., Shaidulin V.S. Impact trajectories of the asteroid Apophis in the 21st century // Sol. Syst. Res. 2012. V. 46. № 4. P. 291–300). https://doi.org/10.1134/S0038094612040077
  11. Соколов Л.Л., Башаков А.А., Питьев Н.П. Особенности движения астероида 99942 Апофис // Астрон. вестн. 2008. Т. 42. № 1. С. 20–29. (Sokolov L.L., Bashakov A.A., Pitjev N.P. Peculiarities of the motion of asteroid 99942 Apophis // Sol. Syst. Res. 2008. V. 42. № 1. P. 18–27). https://doi.org/10.1134/S0038094608010036
  12. Соколов Л.Л., Борисова Т.П., Васильев А.А., Петров Н.А. Свойства траекторий соударения астероидов с Землей // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 5. С. 441–447. (Sokolov L.L., Borisova T.P., Vasil’ev A.A., Petrov N.A. Properties of collision trajectories of asteroids with the Earth // Sol. Syst. Res. 2013. V. 47. № 5. P. 408–413). https://doi.org/10.7868/S0320930X13040087
  13. Соколов Л.Л., Петров Н.А., Васильев А.А., Кутеева Г.А., Шмыров А.С., Эскин Б.Б. О возможности увода астероида от соударений с Землей с использованием кинетического метода // Астрон. вестн. 2018. Т. 52. № 4. С. 343–350. (Sokolov L.L., Petrov N.A., Vasil’ev A.A., Kuteeva G.A., Shmyrov A.S., Eskin B.B. On the possibility of deflecting an asteroid from collision with the Earth using the kinetic method // Sol. Syst. Res. 2018. V. 52. № 4. P. 338–346). https://doi.org/10.1134/S0320930X18040060
  14. Шевченко И.И., Мельников А.В., Титов В.Б., Балуев Р.В., Веселова А.В., Кривов А.В., Микрюков Д.В., Миланов Д.В., Мюлляри А.А., Никифоров И.И., Питьев Н.П., Поляхова Е.Н., Соколов Л.Л., Шайдулин В.Ш. Избранные проблемы классической и современной небесной механики и звездной динамики. II. Современные исследования // Астрон. вестн. 2023. Т. 57. № 2. С. 181–196. (Shevchenko I.I., Mel’nikov A.V., Titov V.B., Baluev R.V., Veselova A.V., Krivov A.V., Mikryukov D.V., Milanov D.V., Mülläri A.A., Nikiforov I.I., Pit’ev N.P., Polyakhova E.N., Sokolov L.L., Shaidulin V. Sh. Selected problems of classical and modern celestial mechanics and stellar dynamics: II–Modern studies // Sol. Syst. Res. 2023. V. 57. № 2. P. 175–189). https://doi.org/10.1134/S0038094623020077
  15. Шор В.А., Чернетенко Ю.А., Кочетова О.М., Железнов Н.Б. О влиянии эффекта Ярковского на орбиту Апофиса // Астрон. вестн. 2012. Т. 46. № 2. С. 131–142. (Shor V.A., Chernetenko Yu.A., Kochetova O.M., Zheleznov N.B. On the impact on the Yarkovsky effect on Apophis’ orbit // Sol. Syst. Res. 2012. V. 46. № 2. Р. 119–129).
  16. Ярковский И.О. Плотность светового эфира и оказываемое им сопротивление движению. Брянск: Тип. Юдина, 1901. 22 с.
  17. Araujo R.A.N., Winter O.C. Near-Earth asteroid binaries in close encounters with the Earth // Astron. and Astrophys. 2014. V. 566. id. A23.
  18. Benson C.J., Scheeres D.J., Moskovitz N.A. Spin state evolution of asteroid (367943) Duende during its 2013 Earth flyby // Icarus. 2020. V. 340. id. 113518.
  19. Benson C.J., Scheeres D.J., Brozović M., Chesley S.R., Pravec P., Scheirich P. Spin state evolution of (99942) Apophis during its 2029 Earth encounter // Icarus. 2023. V. 390. id. 115324.
  20. Boldrin L.A.G., Araujo R.A.N., Winter O.C. On the rotational motion of NEAs during close encounters with the Earth // European Phys. J. – Special Topics. 2020. V. 229. № 8. P. 1391–1403.
  21. Devyatkin A.V., Gorshanov D.L., Yershov V.N., Melnikov A.V., Martyusheva A.A., Petrova S.N., L'vov V.N., Tsekmeister S.D., Naumov K.N. A study of the asteroid (367943) Duende at Pulkovo Observatory // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2016. V. 459. № 4. P. 3986–3997.
  22. Ershkov S.V., Leshchenko D. Revisiting Apophis 2029 approach to Earth (staying on shoulders of NASA’s experts) or can we be sure in almost ricocheting fly-by of Apophis on 13 of April 2029 near the Earth? // J. Space Safety Eng. 2022. V. 9. № 3. P. 363–374.
  23. Ershkov S.V., Shamin R.V. The dynamics of asteroid rotation, governed by YORP effect: The kinematic ansatz // Acta Astronautica. 2018. V. 149. P. 47–54.
  24. Farnocchia D., Chesley S.R., Chodas P.W., Micheli M., Tholen D.J., Milani A., Elliott G.T., Bernardi F. Yarkovsky driven impact risk analysis for asteroid (99942) Apophis // Icarus. 2013. V. 224. № 1. P. 192–200.
  25. Giorgini J.D., Benner L.A.M., Ostro S.J., Nolan M.C., Busch M.W. Predicting the Earth encounters of (99942) Apophis // Icarus. 2008. V. 193. № 1. P. 1–19.
  26. Hairer E., Nørsett S.P., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations I: Nonstiff Problems. Springer Verlag, 1993. 528 p.
  27. Harris A.W. The rotation rates of very small asteroids: Evidence for ’rubble pile’ structure // Lunar and Planet. Sci. Conf. 1996. V. 27. P. 493.
  28. Hu S., Richardson D.C., Zhang Y., Ji J. Critical spin periods of sub-km-sized cohesive rubble-pile asteroids: dependences on material parameters // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2021. V. 502. № 4. P. 5277–5291.
  29. Lowry S.C., Fitzsimmons A., Pravec P., Vokrouhlický D., Boehnhardt H., Taylor P.A., Margot J.-L., Galád A., Irwin M., Irwin J., Kusnirák P. Direct detection of the asteroidal YORP effect // Science. 2007. V. 316 (5822). P. 272–274.
  30. Pérez-Hernández J.A., Benet L. Non-zero Yarkovsky acceleration for near-Earth asteroid (99942) Apophis // Commun. Earth and Environ. 2022. V. 3. № 1. id. 10.
  31. Pravec P., Harris A.W. Fast and slow rotation of asteroids // Icarus. 2000. V. 148. № 1. P. 12–20.
  32. Pravec P., Scheirich P., Ďurech J., Pollock J., Kušnirák P., Hornoch K., Galád A., Vokrouhlický D., Harris A.W., Jehin E., and 10 co-authors. The tumbling spin state of (99942) Apophis // Icarus. 2014. V. 233. P. 48–60.
  33. Richardson D.C., Bottke W.F., Love S.G. Tidal distortion and disruption of Earth-crossing asteroids // Icarus. 1998. V. 134. P. 47–76.
  34. Rubincam D.P. Asteroid orbit evolution due to thermal drag // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. № E1. P. 1585–1594.
  35. Rubincam D.P. Yarkovsky thermal drag on small asteroids and Mars-Earth delivery // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № E1. P. 1725–1732.
  36. Rubincam D.P. Radiative spin-up and spin-down of small asteroids // Icarus. 2000. V. 148. P. 2–11.
  37. Scheeres D.J. Proximity operations about Apophis through its 2029 Earth flyby // J. Astronaut. Sci. 2022. V. 69. № 6. P. 1514–1536.
  38. Scheeres D.J., Benner L.A.M., Ostro S.J., Rossi A., Marzari F., Washabaugh P. Abrupt alteration of asteroid 2004 MN4's spin state during its 2029 Earth flyby // Icarus. 2005. V. 178. № 1. P. 281–283.
  39. Scheeres D.J., Ostro S.J., Werner R.A., Asphaug E., Hudson R.S. Effects of gravitational interactions on asteroid spin states // Icarus. 2000. V. 147. P. 106–118.
  40. Scheeres D.J., Marzari F., Rossi A. Evolution of NEO rotation rates due to close encounters with Earth and Venus // Icarus. 2004. V. 170. P. 312–323.
  41. Sharma I., Jenkins J.T., Burns J.A. Tidal encounters of ellipsoidal granular asteroids with planets // Icarus. 2006. V. 183. № 2. P. 312–330.
  42. Souchay J., Lhotka C., Heron G., Hervé Y., Puente V., Folgueira Lopez M. Changes of spin axis and rate of the asteroid (99942) Apophis during the 2029 close encounter with Earth: A constrained model // Astron. and Astrophys. 2018. V. 617. id. A74.
  43. Souchay J., Souami D., Lhotka C., Puente V., Folgueira M. Rotational changes of the asteroid 99942 Apophis during the 2029 close encounter with Earth // Astron. and Astrophys. 2014. V. 563. id. A24.
  44. Tóth J., Vereš P., Kornoš L. Tidal disruption of NEAs – a case of Příbram meteorite // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2011. V. 415. № 2. P. 1527–1533.
  45. Vokrouhlický D. A complete linear model for the Yarkovsky thermal force on spherical asteroid fragments // Astron. and Astrophys. 1999. V. 344. P. 362–366.
  46. Vokrouhlický D., Milani A., Chesley S.R. Yarkovsky effect on small near-Earth asteroids: Mathematical formulation and examples // Icarus. 2000. V. 148. P. 118–138.
  47. Vokrouhlický D., Bottke W.F., Chesley S.R., Scheeres D.J., Statler T.S. The Yarkovsky and YORP effects // Asteroids IV. Tucson: Univ. Arizona Press, 2015a. P. 509–532.
  48. Vokrouhlický D., Farnocchia D., Čapek D., Chesley S.R. Pravec P., Scheirich P., Műller T.G. The Yarkovsky effect for 99942 Apophis // Icarus. 2015b. V. 252. P. 277–283.
  49. Whittaker E.T. A Treatise on the Analytical Dynamics of Particles and Rigid Bodies. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1917.
  50. Wisdom J., Peale S.J., Mignard F. The chaotic rotation of Hyperion // Icarus. 1984. V. 58. № 2. P. 137–152.
  51. Zhang Y., Michel P. Tidal distortion and disruption of rubble-pile bodies revisited. Soft-sphere discrete element analyses // Astron. and Astrophys. 2020. V. 640. id. A102.
  52. Zhang Y., Michel P. Shapes, structures, and evolution of small bodies // Astrodynamics. 2021. V. 5. № 4. P. 293–329.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Орбита Апофиса в пространстве при его сближении с Землей в 2029 г., построенная на основе данных NASA JPL (https://ssd.jpl.nasa.gov/horizons/). Голубым цветом указана плоскость, содержащая модельную гиперболическую орбиту, являющуюся наилучшей проекцией реальной. Красными точками указана часть орбиты Апофиса над плоскостью, черными – под плоскостью. Земля (синий кружок) расположена в начале координат. Расстояния указаны в радиусах Земли.

Скачать (78KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Орбита Апофиса: (а) – расстояние Δr между орбитой Апофиса и ее проекцией на построенную нами плоскость (см. рис. 1) в зависимости от истинной аномалии f; (б) – аппроксимация орбиты Апофиса в окрестности Земли ветвями двух гипербол. На рисунке (б) синий кружок – Земля, точки – орбита Апофиса, красная и зеленая штриховые линии – ветви гипербол.

Скачать (135KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение периода вращения астероида при его сближении с Землей для разных значений параметров: (а) – d; (б) – e; (в) – P0; (г) – φ0. Жирная красная кривая соответствует примерному значению варьируемого параметра (d, e или P0), при котором ∆P = 0. Пунктирная красная кривая соответствует значению варьируемого параметра (d, e или P0) для Апофиса (Pravec и др., 2014). Момент времени t = 0 соответствует прохождению астероидом точки сближения. В каждом случае показаны выборочные кривые изменения периода вращения астероида. На рисунке (г) параметр φ0 изменялся в интервале от 0° до 180° с шагом 1°; нанесены все кривые, градиент зеленого цвета от темного к светлому соответствует росту варьируемого параметра.

Скачать (401KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости величины изменения периода вращения астероида ∆P из-за сближения с Землей от начальных значений периода вращения P0 и наклона оси вращения астероида к плоскости орбиты φ0, полученные для различных значений перицентрического расстояния d.

Скачать (422KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости величины изменения периода вращения астероида ∆P из-за сближения с Землей от начальных значений периода вращения P0 и наклона оси вращения астероида к плоскости орбиты φ0, полученные для различных значений эксцентриситета e.

Скачать (424KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости величины изменения периода вращения астероида ∆P из-за сближения с Землей от начальных значений периода вращения P0 и наклона оси вращения астероида к плоскости орбиты φ0 для различных значений A/C при B/C = 1.

Скачать (415KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Отношение между tsph (время пролета астероида через геоцентрическую сферу) и начальным значением периода P0, соответствующим максимуму ∆P на диаграммах, представленных на рис. 4, для различных значений d: (а) – радиус геоцентрической сферы Rsph = 100 RE; (б) – Rsph = 120 RE.

Скачать (104KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение значений изменения периода вращения Апофиса ΔP из-за сближения с Землей, вычисленных на множестве возможных значений P0 и φ0.

Скачать (70KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024