Группа европейских астрономов с помощью Очень большого телескопа в Чили (VLT) сумела изучить состав троянских астероидов Марса (находящихся на его орбите в точках Лагранжа L4 и L5) и установить, что эти обломки принадлежали к одной распавшейся некогда мини-планете.
Троянские астероиды — группы астероидов, запертых в орбитальном резонансе 1:1 (вместе с Солнцем и планетой они составляют два равносторонних треугольника). Относительная устойчивость их положения объясняется результатом решения гравитационных уравнений в системе двух массивных тел — в точках Лагранжа (иначе говоря, точках либрации, от лат. libratio — «раскачивание»)
тела с пренебрежимо малой массой могут слегка прецессировать («покачиваться»), оставаясь в определенных окрестностях некой «точки».
Всего существуют пять точек Лагранжа, но в данном случае речь идет о двух из них, обгоняющих по орбите планету на 60° и отстающих от нее на 60°. Свое название все эти «точки» получили по имени Жозефа Луи Лагранжа — французского математика, астронома и механика XVIII века итальянского происхождения, представившего в 1764 году работу, посвященную либрации Луны.
Первые астероиды подобного типа были обнаружены у Юпитера и названы по именам персонажей Троянской войны, описанных в «Илиаде» Гомера, причем группа, опережающая Юпитер на 60°, получала имена преимущественно греков, а отстающая — троянцев (всего их известно уже свыше шести тысяч). В дальнейшем «троянцы» были обнаружены также у Нептуна (с десяток), Урана и Марса, а в 2010 году был найден первый и пока единственный троянский астероид у Земли — 2010 TK7 диаметром около 300 м (в точке L4, так что «по справедливости» это скорее «грек»). Считается, что все это — наследие ранних времен Солнечной системы, когда распределение планет, астероидов и комет весьма отличалось от того, что мы наблюдаем ныне.
Марс — пока единственная планета земного типа, у которой троянские компаньоны встречаются как в точке L4, так и L5.
Первый марсианский троянец был обнаружен более 25 лет назад в точке L5 и получил название «Эврика» в память об известном восклицании древнегреческого математика Архимеда («Нашел!»), совершившего открытие. К настоящему времени число известных троянцев у Марса удалось довести до девяти, однако все они, кроме одного — (121514) 1999 UJ7, располагаются в точке Лагранжа L5. Более того, все троянцы из L5 обращаются возле Эврики (см. рис.). Причина столь неравномерного распределения этих объектов до сих пор неясна, хотя есть несколько объяснений. При одном сценарии астероид-прародитель, находившийся в точке L5, был разрушен в ходе столкновения, и его фрагменты мы как раз сейчас и наблюдаем.
Другая гипотеза состоит в том, что Эврика могла испытать процесс так называемого вращательного деления — раскрутившись, она потеряла небольшие фрагменты, оставшиеся на гелиоцентрической орбите. И в том и в другом случае предполагается, что астероиды из семейства Эврики когда-то были частью одного объекта-прародителя. Хотя косвенные указания на реальность этой гипотезы ученым уже попадались, однозначно подтвердить ее можно лишь после изучения состава всех троянцев, например, с помощью спектрального анализа.
Для этой цели группа астрономов под руководством Галина Борисова (Galin Borisov) и Апостолоса Христо (Apostolos Christou) из Арманской обсерватории и планетария в Северной Ирландии (Великобритания) совместно с итальянскими и польскими учеными воспользовалась спектрографом X-Shooter, установленным на Очень большой телескоп Европейской южной обсерватории в Чили в начале 2016 года для записи спектров в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах двух астероидов, принадлежащих к семейству Эврика, — (311999) 2007 NS2 и (385250) 2001 DH47.
В результате анализа этих спектров, а также данных с двухметрового телескопа болгарской Национальной астрономической обсерватории удалось установить генетическую связь между астероидами и подтвердить их принадлежность к одному семейству. Кроме прочего, спектральный анализ показал, что эти астероиды состоят преимущественно из оливина — минерала, который образуется внутри достаточно крупных объектов при высоких давлениях и температурах. Это значит, что изучаемые астероиды содержат реликтовое вещество мантии из внутренностей некой мини-планеты, или планетезимали, где, как и в нашей Земле когда-то, проходил процесс дифференциации коры, мантии и ядра —
до тех пор, пока зародыш планеты не был уничтожен в результате столкновения.
В те времена подобные катастрофы случались довольно часто, ведь в Солнечной системе хватало разного рода обломков, даже наша собственная Луна (по стандартной на нынешний момент теории) образовалась в результате столкновения с Землей объекта величиной с Марс, мигрировавшего, вероятно, из точки Лагранжа на околоземной орбите.
Христо отмечает, что до сих пор изученные семейства Главного пояса астероида (расположенного между орбитами Марса и Юпитера), а также троянцев Юпитера не характеризовались подобным преобладанием оливина. С этим связана так называемая проблема нехватки мантии (дефицита мантии): если в поясе астероидов содержатся куски разрушенных протопланет, в которых уже запускались процессы дифференциации, то часть из них должна содержать вещество мантии, а не только остатки коры и металлического ядра.
Одно время была популярна (особенно в среде писателей-фантастов) гипотеза про Фаэтон, или планету Ольберса, который якобы когда-то находился между Марсом и Юпитером, а затем распался и образовал нынешний пояс астероидов, однако расчеты, призванные определить, как двигались нынешние астероиды в прошлом, и последующее изучение всех этих объектов показало, что подобная гипотеза, скорее всего, неверна — астероиды никогда не были частью одной планеты, наоборот, являются остатками облака, из которого так никогда и не смогла сформироваться еще одна планета (из-за гравитационного влияния Юпитера).
Разумеется, открытие оливина в троянских астероидах не позволяет окончательно закрыть вышеописанную проблему нехватки мантии, однако оно показывает, что вещество мантии определенно присутствовало вблизи Марса на заре истории Солнечной системы. Как объясняет Христо, «данные свидетельствуют о том, что такой материал участвовал в формировании Марса и, возможно, его планетарного соседа, нашей собственной Земли».
Полученные результаты представлены в статье, опубликованной в апрельском выпуске журнала MNRAS.