Введение
Астероидные популяции, обладающие схожими основными орбитальными элементами
Семейство астероидов – это совокупность астероидов, имеющих близкие основные орбитальные элементы, такие как большая полуось, эксцентриситет и наклон орбиты. Считается, что члены семейств являются фрагментами, образовавшимися в результате столкновений астероидов в прошлом. Семейство астероидов – это более узкое понятие, чем группа астероидов, чьи члены, хотя и демонстрируют некоторые общие орбитальные характеристики, могут не иметь между собой иной связи.
Общие свойства
Большие заметные семейства содержат несколько сотен известных астероидов (и гораздо больше мелких объектов, которые либо еще не проанализированы, либо еще не обнаружены). В небольших, компактных семьях может быть всего около десяти идентифицированных членов. Примерно от 33% до 35% астероидов в главном поясе принадлежат к семействам. Существует около 20–30 надёжно установленных семейств, и несколько десятков менее определённых группировок. Большинство семейств астероидов находится в главном поясе астероидов, хотя несколько групп, подобных семействам, таких как семейство Паллады, семейство Венгрии и семейство Фокеи, расположены на меньшей большой полуоси или имеют больший наклон, чем в главном поясе. Одно семейство было идентифицировано как связанное с карликовой планетой. Некоторые исследования пытались найти свидетельства столкновительного происхождения среди троянских астероидов, но на данный момент доказательства остаются неубедительными.
Происхождение и эволюция
Считается, что эти семейства образовались в результате столкновений между астероидами. Во многих или большинстве случаев родительское тело было разрушено, но существуют также несколько семейств, возникших в результате крупного кратерного события, которое не привело к разрушению родительского тела (например, семейства Веста, Паллады, Гигеи и Массалии). Такие кратерные семейства обычно состоят из одного крупного тела и роя гораздо более мелких астероидов. Некоторые семейства (например, семейство Флоры) имеют сложную внутреннюю структуру, которая в настоящее время не имеет удовлетворительного объяснения, но может быть обусловлена несколькими столкновениями в одном и том же регионе в разное время. В силу механизма своего образования, большинство семейств характеризуются близким составом всех своих членов. Заметными исключениями являются семейства (такие как семейство Веста), сформировавшиеся из крупного дифференцированного родительского тела. Предполагается, что продолжительность жизни астероидных семейств составляет порядка миллиарда лет, в зависимости от различных факторов (например, меньшие астероиды теряются быстрее). Это значительно меньше возраста Солнечной системы, поэтому сохранилось мало или совсем не сохранилось реликвий ранней Солнечной системы. Распад семейств происходит как из-за медленного рассеяния орбит под воздействием возмущений со стороны Юпитера или других крупных тел, так и из-за столкновений между астероидами, которые приводят к их измельчению. Эти мелкие астероиды затем подвергаются воздействию таких возмущений, как эффект Ярковского, который со временем может сдвигать их к орбитальным резонансам с Юпитером. Там они относительно быстро изгоняются из пояса астероидов. Для некоторых семейств получены предварительные оценки возраста, варьирующиеся от сотен миллионов лет до менее чем нескольких миллионов лет, как в случае с компактным семейством Карин. Считается, что старые семейства содержат мало мелких членов, и это лежит в основе методов определения их возраста. Предполагается, что многие очень старые семейства потеряли все мелкие и средние по размеру члены, сохранив лишь несколько крупнейших неповрежденными. В качестве предполагаемого примера остатков такого древнего семейства можно привести пару астероидов 9 Метис и 113 Амальтея. Дополнительные свидетельства существования большого числа семейств в прошлом (теперь рассеянных) поступают из анализа химических соотношений в железных метеоритах. Они указывают на то, что когда-то существовало по крайней мере 50–100 родительских тел, достаточно крупных для дифференциации, которые впоследствии были разрушены, обнажив их ядра и образовав собственно метеориты (Келли и Гаффи, 2000).
Определение членов, вторгшихся и фоновых астероидов
Когда орбитальные элементы астероидов главного пояса отображаются на графиках (обычно наклон в зависимости от эксцентриситета или от большой полуоси), наблюдается несколько отчетливых скоплений на фоне относительно равномерного распределения фоновых астероидов, не входящих ни в одно семейство. Эти скопления и есть астероидные семейства (см. выше). Астероиды-пришельцы классифицируются как члены семейств на основе их так называемых истинных орбитальных элементов, но при этом обладают спектроскопическими свойствами, отличными от большинства членов семейства, что указывает на то, что они, в отличие от настоящих членов семейства, не образовались из того же родительского тела, которое когда-то распалось в результате столкновения.
Описание
Строго говоря, семьи и их состав идентифицируются путем анализа истинных орбитальных элементов, а не текущих оскулирующих орбитальных элементов, которые регулярно изменяются на протяжении десятков тысяч лет. Истинные элементы – это связанные постоянные движения, которые остаются почти неизменными в течение по крайней мере десятков миллионов лет, и, возможно, дольше. Японский астроном Киёцугу Хираяма (1874–1943) был пионером в оценке истинных элементов для астероидов и впервые выявил несколько наиболее заметных семейств в 1918 году. В его честь астероидные семейства иногда называют семействами Хираямы, особенно это относится к пяти выдающимся группировкам, открытым им.
Метод иерархического кластеризации
Современные компьютерные поиски выявили более ста семейств астероидов. Наиболее распространенными алгоритмами являются иерархический метод кластеризации (HCM), который ищет группировки с небольшими расстояниями до ближайших соседей в пространстве орбитальных элементов, и вейвлет-анализ, который строит карту плотности астероидов в пространстве орбитальных элементов и выявляет пики плотности. Границы семейств несколько размыты, поскольку на краях они переходят в фоновую плотность астероидов в главном поясе. По этой причине количество членов даже среди обнаруженных астероидов обычно известно лишь приблизительно, а принадлежность к семейству неопределенна для астероидов, расположенных вблизи границ. Кроме того, следует ожидать присутствия посторонних объектов из неоднородной популяции астероидов даже в центральных областях семейства. Поскольку истинные члены семейства, образовавшиеся в результате столкновения, предположительно имеют схожий состав, большинство таких посторонних объектов в принципе можно идентифицировать по спектральным характеристикам, не соответствующим спектральным характеристикам основной массы членов семейства. Ярким примером является 1 Церера, крупнейший астероид, который является посторонним объектом в семействе, ранее названном в его честь (семейство Цереры, теперь семейство Гефион). Спектральные характеристики также могут быть использованы для определения принадлежности (или ее отсутствия) астероидов во внешних областях семейства, как, например, в случае семейства Веста, члены которого обладают необычным составом.
Типы семей
Как уже упоминалось ранее, семейства, образовавшиеся в результате удара, который не разрушил родительское тело, а лишь выбросил фрагменты, называются кратерными семействами. Другая терминология используется для обозначения различных типов групп, которые менее четко выражены или менее статистически значимы, чем наиболее выраженные "номинальные семейства" (или скопления).
Кластеры, кланы и племена
Термин «кластер» также используется для описания небольшого семейства астероидов, например, кластера Карин. Скопления – это группировки, имеющие относительно небольшое количество членов, но четко выделяющиеся на фоне остальных (например, скопление Юнона). Кланы – это группировки, которые очень постепенно переходят в фоновую плотность и/или имеют сложную внутреннюю структуру, что затрудняет определение, являются ли они одной сложной группой или несколькими несвязанными перекрывающимися группами (например, семейство Флоры называют кланом). Племена – это группы, статистическая значимость которых на фоне либо невелика из-за низкой плотности, либо неопределенна из-за большой погрешности в орбитальных параметрах членов.