Вулканоиды — гипотетическая популяция астероидов , вращающихся вокруг Солнца в динамически стабильной зоне внутри орбиты планеты Меркурий . Они названы в честь гипотетической планеты Вулкан , которая была предложена на основе нерегулярностей орбиты Меркурия, которые , как позже выяснилось, объясняются общей теорией относительности . До сих пор не было обнаружено ни одного вулканоида, и пока не ясно, существуют ли они.
Если они существуют, вулканоиды могли бы легко избежать обнаружения, поскольку они были бы очень маленькими и находились бы вблизи яркого сияния Солнца. Из-за их близости к Солнцу поиски с Земли можно проводить только во время сумерек или солнечных затмений. Любые вулканоиды должны быть от 100 метров (330 футов) до 6 километров (3,7 миль) в диаметре и, вероятно, располагаться на почти круговых орбитах вблизи внешнего края гравитационно стабильной зоны между Солнцем и Меркурием. Их следует отличать от астероидов Атира , которые могут иметь перигелии в пределах орбиты Меркурия, но чьи афелии простираются до орбит Венеры или в пределах орбитального пути Земли. Поскольку они пересекают орбиту Меркурия, эти тела не классифицируются как вулканоиды.
Вулканоиды, если они будут обнаружены, могут предоставить ученым материал из первого периода формирования планет , а также понимание условий, преобладавших в ранней Солнечной системе . Хотя было обнаружено, что все остальные гравитационно стабильные области в Солнечной системе содержат объекты, негравитационные силы (такие как эффект Ярковского ) или влияние мигрирующей планеты на ранних стадиях развития Солнечной системы могли истощить эту область любых астероидов, которые могли там быть.
Небесные тела внутри орбиты Меркурия были выдвинуты в качестве гипотез и искались в течение столетий. Немецкий астроном Кристоф Шайнер думал, что он видел небольшие тела, проходящие перед Солнцем в 1611 году, но позже было показано, что это были солнечные пятна . [1] В 1850-х годах Урбен Леверье провел подробные расчеты орбиты Меркурия и обнаружил небольшое расхождение в прецессии перигелия планеты с предсказанными значениями. Он предположил, что гравитационное влияние небольшой планеты или кольца астероидов внутри орбиты Меркурия могло бы объяснить отклонение. Вскоре после этого астроном-любитель по имени Эдмон Лескарбо заявил, что видел, как предполагаемая Леверье планета проходила мимо Солнца. Новая планета была быстро названа Вулканом , но больше ее никто не видел, а аномальное поведение орбиты Меркурия было объяснено общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году. Вулканоиды получили свое название от этой гипотетической планеты. [2] То, что увидел Лескарбо, вероятно, было еще одним солнечным пятном. [3]
Вулканоиды, если они существуют, было бы трудно обнаружить из-за сильного свечения близлежащего Солнца, [4] а наземные поиски могут проводиться только в сумерках или во время солнечных затмений . [5] Несколько поисков во время затмений были проведены в начале 1900-х годов, [6] которые не выявили никаких вулканоидов, и наблюдения во время затмений остаются распространенным методом поиска. [7] Обычные телескопы не могут быть использованы для их поиска, потому что близлежащее Солнце может повредить их оптику. [8]
В 1998 году астрономы проанализировали данные с инструмента LASCO космического аппарата SOHO , который представляет собой набор из трех коронографов . Данные, полученные в период с января по май того года, не показали никаких вулканоидов ярче 7-й величины . Это соответствует диаметру около 60 километров (37 миль), предполагая, что астероиды имеют альбедо, подобное альбедо Меркурия. В частности, был исключен большой планетоид на расстоянии 0,18 а. е., предсказанный теорией масштабной относительности . [9]
Более поздние попытки обнаружить вулканоиды включали подъем астрономического оборудования над помехами земной атмосферы , на высоты, где сумеречное небо темнее и яснее, чем на земле. [10] В 2000 году планетолог Алан Стерн провел исследования зоны вулканоидов с помощью самолета-разведчика Lockheed U-2 . Полеты проводились на высоте 21 300 метров (69 900 футов) в сумерках. [11] В 2002 году он и Дэн Дурда провели аналогичные наблюдения на истребителе F-18 . Они совершили три полета над пустыней Мохаве на высоте 15 000 метров (49 000 футов) и провели наблюдения с помощью Southwest Universal Imaging System—Airborne (SWUIS-A). [12]
Даже на этих высотах атмосфера все еще присутствует и может помешать поискам вулканоидов. В 2004 году была предпринята попытка суборбитального космического полета , чтобы вывести камеру за пределы атмосферы Земли. Ракета Black Brant была запущена из Уайт-Сэндс, Нью-Мексико , 16 января, неся мощную камеру под названием VulCam, [13] в десятиминутном полете. [4] Этот полет достиг высоты 274 000 метров (899 000 футов) [13] и сделал более 50 000 снимков. Ни на одном из снимков не было обнаружено вулканоидов, но были технические проблемы. [4]
Поиски данных двух космических аппаратов STEREO НАСА не привели к обнаружению каких-либо вулканоидных астероидов. [14] Сомнительно, что существуют какие-либо вулканоиды диаметром более 5,7 километров (3,5 мили). [14]
Космический зонд MESSENGER сделал несколько снимков внешних областей вулканоидной зоны; однако его возможности были ограничены, поскольку его приборы должны были быть все время направлены в сторону от Солнца, чтобы избежать повреждений. [15] [16] Однако до своей гибели в 2015 году аппарат не смог предоставить существенных доказательств существования вулканоидов.
13 августа 2021 года был обнаружен астероид 2021 PH 27 с перигелием, находящимся в пределах орбиты Меркурия. На минимальном расстоянии от Солнца 0,1331 а.е. он подходит к Солнцу более чем в два раза ближе, чем перигелий Меркурия в 0,307499 а.е. Это помещает его ближайшее сближение в гипотетическую зону Вулканоидов.
Вулканоид — это астероид на стабильной орбите с большой полуосью, меньшей, чем у Меркурия (т. е. 0,387 а. е. ). [7] [17] Сюда не входят такие объекты, как околосолнечные кометы , которые, хотя и имеют перигелии внутри орбиты Меркурия, имеют гораздо большие полуоси. [7]
Предполагается, что вулканоиды существуют в гравитационно стабильной полосе внутри орбиты Меркурия, на расстоянии 0,06–0,21 а. е. от Солнца . [18] Было обнаружено, что все другие столь же стабильные области в Солнечной системе содержат объекты, [8] хотя негравитационные силы, такие как давление излучения , [9] сопротивление Пойнтинга–Робертсона [18] и эффект Ярковского [5], возможно, истощили область вулканоидов от ее первоначального содержимого. Может остаться не более 300–900 вулканоидов радиусом более 1 километра (0,62 мили), если таковые вообще имеются. [19] Исследование 2020 года показало, что эффект Ярковского–О'Кифа–Радзиевского–Паддака достаточно силен, чтобы разрушить гипотетические вулканоиды радиусом до 100 км в масштабах времени, намного меньших, чем возраст Солнечной системы; Было обнаружено, что потенциальные вулканоидные астероиды постоянно раскручиваются эффектом YORP, пока они не распадутся на более мелкие тела, что происходит многократно до тех пор, пока обломки не станут достаточно маленькими, чтобы их можно было вытолкнуть из вулканоидной области эффектом Ярковского; это объясняет, почему не наблюдалось ни одного вулканоида. [20] Гравитационная устойчивость вулканоидной зоны отчасти объясняется тем, что есть только одна соседняя планета. В этом отношении ее можно сравнить с поясом Койпера . [18]
Внешний край зоны вулканоидов находится примерно в 0,21 а.е. от Солнца. Объекты, более удаленные, чем это, нестабильны из-за взаимодействия с Меркурием и будут возмущены до орбит , пересекающих Меркурий, в масштабах времени порядка 100 миллионов лет. [18] (Некоторые определения, тем не менее, включают такие нестабильные объекты, как вулканоиды, если их орбиты полностью лежат внутри орбиты Меркурия.) [21] Внутренний край не имеет четкого определения: объекты ближе 0,06 а.е. особенно подвержены влиянию увлечения Пойнтинга-Робертсона и эффекту Ярковского, [18] и даже дальше 0,09 а.е. вулканоиды будут иметь температуру 1000 К или более, что достаточно для того, чтобы испарение горных пород стало ограничивающим фактором в их жизни. [22]
Максимально возможный объем зоны вулканоидов очень мал по сравнению с поясом астероидов . [22] Столкновения между объектами в зоне вулканоидов будут частыми и очень энергичными, что приведет к разрушению объектов. Наиболее благоприятное местоположение для вулканоидов, вероятно, находится на круговых орбитах вблизи внешнего края зоны вулканоидов. [23] Маловероятно, что вулканоиды будут иметь наклон более 10° к эклиптике . [7] [18] Также возможны троянцы Меркурия , астероиды, застрявшие в точках Лагранжа Меркурия . [24]
Любые существующие вулканоиды должны быть относительно небольшими. Предыдущие поиски, особенно с космического корабля STEREO , исключают астероиды размером более 6 километров (3,7 мили) в диаметре. [14] Минимальный размер составляет около 100 метров (330 футов); [18] частицы размером менее 0,2 мкм сильно отталкиваются радиационным давлением, а объекты размером менее 70 м будут притягиваться к Солнцу силой Пойнтинга-Робертсона . [9] Между этими верхними и нижними пределами считается возможной популяция астероидов диаметром от 1 километра (0,62 мили) до 6 километров (3,7 мили). [10] Они будут почти достаточно горячими, чтобы раскаляться докрасна. [17]
Считается, что вулканоиды будут очень богаты элементами с высокой температурой плавления , такими как железо и никель . Они вряд ли обладают реголитом, поскольку такой фрагментированный материал нагревается и остывает быстрее и сильнее подвержен эффекту Ярковского , чем твердая порода. [5] Вулканоиды, вероятно, похожи на Меркурий по цвету и альбедо, [7] и могут содержать материал, оставшийся с самых ранних стадий формирования Солнечной системы. [12]
Есть доказательства того, что Меркурий был поражен крупным объектом на относительно поздней стадии своего развития, [5] столкновение, которое стерло большую часть коры и мантии Меркурия, [16] и объясняет тонкость мантии Меркурия по сравнению с мантиями других планет земной группы . Если бы такое столкновение произошло, большая часть образовавшихся обломков могла бы все еще вращаться вокруг Солнца в вулканоидной зоне. [13]
Вулканоиды, будучи совершенно новым классом небесных тел, были бы интересны сами по себе, [24] но открытие того, существуют ли они или нет, дало бы понимание формирования и эволюции Солнечной системы . Если они существуют, они могут содержать материал, оставшийся с самого раннего периода формирования планет, [12] и помочь определить условия, при которых сформировались планеты земной группы , особенно Меркурий. [24] В частности, если вулканоиды существуют или существовали в прошлом, они будут представлять собой дополнительную популяцию ударников, которые не повлияли ни на одну другую планету, кроме Меркурия, [16] делая поверхность этой планеты более старой, чем она есть на самом деле. [24] Если будет обнаружено, что вулканоиды не существуют, это наложит другие ограничения на формирование планет [24] и предположит, что во внутренней Солнечной системе действовали другие процессы, такие как планетарная миграция, очищающая эту область. [18]
Таким образом, существование существенной популяции отделенных от Венеры Ватирас ставит вопрос о том, достигают ли какие-либо объекты орбит, полностью внутренних по отношению к орбите Меркурия. Принятым соглашением, вероятно, было бы называть такой объект Вулканоидом, хотя этот термин обычно подразумевает объект, который находился внутри Меркурия в течение всего времени существования Солнечной системы.