Міністерство освіти і науки України 

Київський національній університет імені Тараса Шевченка

Фізика і динаміка ансамблю малих тіл Сонячної системи: спостереження, відкриття та нові моделі

1.	Юрій Іванович Волощук - доктор технічних наук, професор (Харків, Харківський національний університет радіоелектроніки)
2.	Юрій Миколайович Іващенко - кандидат фізико-математичних наук, директор (Андрушівка, Андрушівська астрономічна обсерваторія)
3.	Віталій Григорович Кручиненко - доктор фізико-математичних наук, професор (Бердянськ, Бердянський державний педагогічний університет)
4.	Віра Петрівна Таращук – кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник. (Крим, Научний, Науково-дослідний інститут «Кримська астрофізична обсерваторія» Київського національного університету імені Тараса Шевченка)
5.	Микола Степанович Черних – доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник (Крим, Научний, Науково-дослідний інститут «Кримська астрофізична обсерваторія» Київського національного університету імені Тараса Шевченка) - (посмертно)
6.	Клим Iванович Чурюмов – член-кореспондент Національної академії наук України, доктор фізико-математичних наук, професор, головний науковий співробітник (Київ, Астрономічна обсерваторія Київського національного університету імені Тараса Шевченка)
7.	Леонід Маркович Шульман - доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник (Київ, Головна астрономічна обсерваторія НАН України) - (посмертно)

реферат

Київ – 2014

Космічний апарат РОЗЕТТА на шляху до ядра  комети Чурюмова-Герасименко (посадка на ядро посадкового модуля ФІЛИ 10 листопада 2014 р) 

Цикл складається з  9 монографій та  109 наукових статей, опублікованих за період 1969-2012 р. головним чином у міжнародних реферованих журналах, що містяться в базі SCOPUS (241) -  мають 306 цитувань. За даною тематикою захищено 5 докторських та 2 кандидатські дисертації.
Автори даного циклу робіт – вчені, відомі в Україні та за її межами. З них 5 є випускниками Київського національного університету імені Тараса Шевченка. 
Роботи даного циклу тісно пов'язані між собою спільними ідеями та вносять значний внесок в галузі фізики і динаміки малих тіл Сонячної системи. 

Цикл робіт «Фізика і динаміка ансамблю малих тіл Сонячної системи: спостереження, відкриття та нові моделі», який виконувався з 1969 по 2012 роки, присвячений дослідженню ансамблю малих тіл Сонячної системи (комет, астероїдів та метеорної речовини) як носіїв реліктової речовини, з якої 4.6 міліардів років тому утворилося Сонце та оточуюючі його тіла – планети, їх супутники, малі тіла (комети, астероїди і метеороїди ), вивченню морфології, активності і хімічного складу комет, зв´язку кометної і метеорної речовини. В рамках циклу робіт на підставі власних оригінальних спостережень отримано низку нових значимих наукових результатів: відкрито багато нових об´єктів ансамблю малих тіл Сонячної системи: 639 малих планет і 4040 метеорних потоків і асоціацій, 4 нові комети - 67Р/(Чурюмова-Герасименко), 74Р/Смирнової-Черниха, 101Р/Черниха і одну довгоперіодичну - С/1986 N1 (Чурюмова-Солодовникова). досліджено їх фізичні і кінематичні характеристики, побудовані нові оригінальні моделі пекулярних явищ і процесів в об’єктах ансамблю. До комети 67Р, відкритої в 1969 р. київськими астрономами К.І.Чурюмовим и С.І.Герасименко наближається космічний апарат (КА) Європейської космічної агенції «Розетта» (вартість проекту 1.36 міліардів євро) з метою посадки на ядро комети в листопаді 2014 р.  і дослідження первинної речовини, з якої 4.5 мільярдів років тому сформувались Сонце і  планети, в тому числі і планета Земля. Ця кометна реліктова речовина стала також джерелом складної органічної речовини, в тому числі амінокислот, які призвели до зародження життя на нашій планеті. Знання фізичних і хімічних властивостей реліктової речовини  дозволить вирішити фундаментальні наукові проблеми космогонії Сонячної системи і зародження життя на Землі, що є актуальними науковими задачами. Крім того КА Розетта на 10-річному шляху до ядра комети 67Р, коли він пролітав крізь головний пояс малих планет, в 2008 р. наблизився і дослідив астероїд Штейнс, відкритий М.С.Чернихом (одним з авторів циклу робіт). Таким чином двоє з співавторів даної  роботи (К.Чурюмов і М.Черних) відкрили і дослідили  два важливих об´єкта з ансамблю малих тіл (комету 67Р і астероїд  2867 Штейнс) для їх вивчення за  допомогою дорого-коштовного (1.36 мільярдів євро)  космічного апарату-дослідника «Розетти» Європейської космічної агентства в 2008 р. і 2014-2015 рр.
М.С.Чернихом в КрАО відкрито 537 астероїдів, Ю.М.Іващенко разом з спостерігачами Андрушівської астрономічної обсерваторії відкрив 102 нових астероїди. Обчислено  екваторіальні координати відкритих малих планет та їх орбітальні і фотометричні параметри. На основі найбільшої в світі оригінальної спостережної бази в Харкові, яка вміщує 230000 орбіт окремих метеорних тіл,   виявлені численні зв´язки відкритих 4040  нових метеорних потоків з малими тілами Сонячної системи – кометами і астероїдами.
Основні  результати циклу робіт:
І. Фізика і динаміка комет: спостереження, відкриття, нові моделі
1. Відкрито і досліджено нову короткоперіодичну комету 67P/ Чурюмова-Герасименко. Показано, що внаслідок  еволюції орбіти під дією гравітаційних сил тіл Сонячної системи в минулому комета оберталася навколо Сонця майже по коловій орбіті (е0.1) з перигелійною відстанню  q4 а.о. Під впливом збурень від Юпітера, особливо під час тісних зближень з цією планетою у 1840 р. до 0.34 а.о. і у 1959 р. до 0.05 а.о., орбіта комети трансформувалася у типову для комет сімейства Юпітера і вона одержала змогу наближатися до Землі. Завдяки цьому вона і була відкрита у 1969 р. К.Чурюмовим і С.Герасименко. Комета 17 листопада  1982 р. зблизилася із Землею до 0.4 а.о. і була досяжна візуальним спостереженням, що дало можливість отримати детальну криву блиску комети і винайти унікальну особливість кривої блиску комети Чурюмова-Герасименко – аномально велике запізнення максимуму її блиска – майже на 100 діб після проходження перигелію. 
2. Відкрито і досліджено нову короткоперіодичну комету Смирнової-Черниха. Показано, що на інтервалі 1800-2000 рр. комета наблизилась до Сатурну у 1820 р. до 0.61 а.о. і чотири рази наближалась до Юпітера,  причому найбільш тісне наближення відбулося у 1955 р. до 0.25 а.о. Гравітаційні збурення від Сатурна та Юпітера під час зближень з ними комети привело до суттєвих змін ексцентриситета е від 0.34 до 0.15, перигелійної відстані q від 6.1 а.о. до 3.5 а.о., афелійної відстані Q від 12.2 а.о. до 4.8 а.о. і періода Р від 27.6 років до 8.5 років. 
3. Було відкрито і досліджено нову короткоперіодичну комету 101Р/Черниха. Встановлено зміну орбітальних елементів комети внаслідок гравітаційної еволюції орбіти комети на інтервалі 1600-2000 рр. Протягом ХХ ст. комета мала два зближення з Сатурном і два зближення з Юпітером. Найтісніше зближення з Юпітером (до 0.35 а.о.) сталося 1980 р. Це змінило її період з 16.5 років (1900 р.) до 13.9 років (2000 р.). За другої її появи 1991 р. астрономи спостерігали рідкісне для комет явище – розділення первинного ядра на два вторинні фрагменти A і B. 
4. Було відкрито і досліджено нову довгоперіодичну комету Чурюмова-Солодовнікова (1986 IX). Встановлено, що первісна орбіта комети, коли комета віддалилася на геліоцентричну відстань r = 50.132 а.о. трансформувалась в гіперболічну орбіту, елементи якої показують, що комета прибула у внутрішню частину Сонячної системи з найближчого регіону хмари Епіка-Оорта, розташованого на геліоцентричній відстані близько 3000 астрономічних одиниць.
5. Було виявлено стрибкоподібні зміни яскравості комети 1Р/Галлея  на однакових (симетричних) геліоцентричних відстанях до і після перигелію. Цю особливість кривої блиску комети Галлея було пояснено зміною питомої теплоти сублімації батьківських речовин, що випаровуються з поверхні кометного ядра на певних геліоцентричних відстаннях. Виявлена особливість відкриває принципову можливість визначення питомих теплот сублімації батьківських речовин кометних ядер на основі вивчення кривих візуального інтегрального блиску комет.
6. В спектрі комети Скорітченка-Джорджа (C/1989 Y1)  вперше були винайдені лінії (1-0), (1-1), (0‑0), (1‑2) и (0-1) від’ємного (негативного) іона C2- , які належать електронному переходу B2S+u - X2S+g . Оцінки темпу   утворення іонів C2- дають величину 31026 с-1 для цієї комети. Присутність достатньо великої кількості від’ємних іонів C2- вимагає вимагає існування додаткового джерела енергії, зв’язаного з наявністю хімічно нестабільних включень у кометній кризі. Подібні джерела пропонувалися Л.М.Шульманом (кластерна модель ядра) і Е.М.Дробишевським (механізм об’ємного  електролізу). 
7. В спектрах комет 9P/Tempel 1 і Machholz (C/2004 Q2) виявлено люмінесцентний кометний континуум пов’язаний із люмінесценцією органічних молекул, що містяться в кометних частинках пилу. Для комети 9P/Tempel 1 рівень люмінесцентного кометного континууму складає 30% від рівня загального кометного континууму з максимумом поблизу л ≈ 5250 Е і для комети Machholz (C/2004 Q2) рівень кометного люмінесцентного континууму складає 46% від рівня загального кометного континууму з максимумом поблизу λ ≈ 6300 Е. Порівняння спектрів двох комет показує, що «нова» комета C/2002 Q2 в Оортівському розумінні має вищий рівень люмінесцентного континууму і тому більшу кількість органічний люмінофорів (CHON-частинок), ніж у «старій» виснаженій короткоперіодичній кометі 9P/Tempel 1.
              8. Встановлено, що збудження світіння атомів натрію в кометі Шумейкерів-Леві 9 при зіткненням її уламків з атмосферою Юпітера викликалось сонячною радіацією, а інтенсивність випромінювання визначалась кількістю атомів, яка вивільнялась із пилу і поверхні численних уламків ядра комети. При виченні подій у кометі Шумейкерів-Леві 9 також було встановлено, що допплерівський зсув  збуджуючого сонячного випромiнювання   не збiльшує вiдношення інтенсивностей  лiнiй  D натрію  (приймається до уваги ефект Свінгса через змiну гелiоцентричної швидкостi комети). В зв'язку з тим , що теоретичнi оцiнки вiдношення інтенсивностей D2/D1 робились  у наближеннi оптично тонкого шару, це вiдношення визначалось з урахуванням багаторазового розсiювання для рiзних величин оптичної товщi шару i для рiзних фазових кутiв комети. При цьому виявилося, що при фазовому кутi 90О  і вище вiдношення інтенсивностей D2/D1 може  перевищувати величину 2 i навіть досягати значення 2.5. При фазовому кутi 0О  вiдношення D2/D1 перевищує значення  2  дуже незначно, а при кутi 180О характер залежностi аналогiчний до ходу кривої для фазового кута 90О з максимальним значенням D2/D1 бiльше 2.5.
	9. Показано, що свiтiння натрiю в кометах можна пояснити резонансним розсiюванням сонячного випромiнювання  на вiдстанi  вiд 0.05 а.о. до 5 а.о.  Це вказує на те, що проблема свiтiння Na у кометах зводиться не тільки до процесу його збудження, а і до механiзмiв доставки натрiю в незбужденому станi  на  великi  вiдстанi вiд ядра, звiльнення  натрiю з пилу i подальшому його поширеннi в головi i хвостi (на відстанні бiльше 107 км).  	
	10. На підставі співставлення  київських і ватиканських фотоелектричних записів відносної яскравості супутника Юпітеру Іо під час падіння на Юпітер вторинного фрагменту Q2 комети Шумейкерів-Леві 9 встановлено реальність зареєстрованого на астрономічній обсерваторії Київського університету 1 секундного спалаху яскравості Іо в момент вибуху  фрагменту Q2 в атмосфері планети-гіганта. Слідує відмітити, крім співпадіння за часом між київськими і ватиканськими спостереженнями, також і співпадіння зареєстрованої амплітуди спалаху 0.11m та її тривалості 1 сек.
11. Розроблено оригінальну модель нейтральної кометної атмосфери, яка дозволяє аналізувати фотометричні профілі кометних спектральних емісій вздовж щілини спектрографа і визначити низку фізичних параметрів кометних газів: швидкість витікання молекул з ядра, час їх життя в полі сонячної радіації, характерні пробіги батьківських та дочкових молекул, швидкість газовиділення окремих молекул з ядра комети та інше.
	12. Для інтерпретації розподілу яскравості в плазмових хвостах комет розроблено оригінальну дифузійну модель, яка базується на використанні функції Гріна для миттєвого джерела. Модель будується на таких припущеннях: а) витікання речовини із ядра стаціонарне і почалося безкінечно давно; б) центр кожного миттєво випущеного пакету часток рухається рівно-прискорено уздовж осі; в) кометний іон одержує випадкові імпульси з боку неоднорідностей самоузгоджених полів, які проносяться крізь хвіст комети. У цьому випадку рух іона являє собою суперпозицію дифузіі та зносу у хвіст. За допомогою дифузійної моделі було досліджено параметри магнітних полів в плазмових хвостах комет 1Р/Галлея, 67Р/Чурюмова-Герасименко, C/1982 M1 (Остина) та C1970 N1 (Абе).
13. Запропоновано ідеалізовану модель активної області на ядрі комети у вигляді конічного отвору у пиловому поверхневому шарі та досліджується температурний хід на крижаному дні цього отвору на поверхні кометного ядра в залежності від його геометричних параметрів. Модель підтверджена спостереженнями реальних ядер комет з борту космічних апаратів.
14. На основі оригінальних спостережень пилових оболонок в атмосфері комети Гейла-Боппа у березні-квітні 1997 р. проведено аналіз міждобового зміщення окремих оболонок, одержано усереднені характеристики періодичності формування оболонок та визначено період обертання ядра комети Гейла-Боппа навколо осі (Т = 11.41±0.05h).
15. Показано, що хвильові структури в кометних плазмових хвостах можуть збуджуватись у результаті особливого режиму нестійкості Кельвіна-Гельмгольца, який реалізується поблизу порогу її збудження та приводить до виділення із загального спектра найбільш зростаючої моди (при умові, що швидкість сонячного вітру більше альвеновської швидкості в кометній плазмі). Модель дозволяє оцінити фундаментальне співвідношення між довжиною хвилі та радіусом хвильової структури (приблизно 10-20), що підтверджується спостереженнями;
16. Виконано чисельне моделювання розвитку дисипативного та недисипативного режимів електромагнітної філаментаційної нестійкості в кометній плазмі. Показано, що у випадку дисипативного режиму можуть утворюватися променеві структури у хвостах комет товщиною до 3000 км, що добре узгоджується зі спостереженнями; 
17. Запропоновано тривимірну модель променевої структури плазмового хвоста комети як результат розвитку філаментаційної нестійкості за наявності добре розвиненої іонно-звукової турбуленції у кометній плазмі при її обтіканні сонячним вітром. Показано, що товщина променів циліндричної форми досягає при цьому 103 - 104 км, кількість променів у хвості досягає 30;
18. Розроблено нову теоретичну модель утворення вибухового кратера на поверхні космічного тіла – ядра короткоперіодичної комети 9Р/Темпеля 1.  Показано, що в результаті зіткнення мідного імпактора космічного апарата "Діп Імпект" з ядром комети 9Р/Темпеля на поверхні ядра комети повинен був утворитися штучний вибуховий кратер діаметром від 40 до 80 метрів і глибиною від 4.8 до 5.6 м. Модель отримала підтвердження при прольоті космічного апарату Епоксі поблизу ядра комети 9Р/Темпель 1 в 2011 р. – штучний кратер на ядрі мав діаметр ~60 м. Також визначено реальне положення штучного кратеру на ядрі комети 9Р/Темпель 1. 

ІІ. Фізика і динаміка метеорної речовини Сонячної системи: спостереження, відкриття і нові моделі
19. Виведено нову формулу, яка дає  середню характеристику темпу доплива космічних тіл на Землю. Встановлено, що  загальна кількість космічної речовини, яка попадає на Землю за рік, складає 0.14 Мт.  Кожну добу в атмосферу Землі входить біля 400 метеороїдів з масами не менше 1 кг. Приблизно 30% з них досягають висоти 30 км і менше, а біля 0.5% – випадають на поверхню Землі. Кожного року на Землю випадає близько 800 метеоритів. Найбільше тіло, яке падає на Землю протягом року складає приблизно 103 тонн.
20. У результаті регулярних цілодобових вимірювань орбіт і координат радіантів метеорів в Харкові була отримана унікальна база орбіт індивідуальних метеорів , що включає більше 230 тис. орбіт. За результатами спостережень метеорів відомих метеорних потоків були отримані оцінки стандартного відхилення помилки одиничного вимірювання видимої швидкості метеороида. В результаті відбору була отримана вибірка 159785 орбіт індивідуальних метеорів.. З точки зору організації вимірювань , графіка і тривалості їх проведення , обсягу отриманої інформації , спостереження в Харкові є унікальними . Був розроблений метод , алгоритм-програма багатокрокової процедури пошуку метеорних потоків і асоціацій (МПА) у вибірці орбіт індивідуальних метеорів харківської бази. Метод використовує як основну функції відстані критерій Саутуорта - Хокінса і базується на найзагальніших принципах кластер - аналізу - випадковий вибір центрів гіпотетичних кластерів і багаторазово повторюваний пошук угруповань орбіт метеороідов в шестивимірному просторі їх елементів. У результаті виявлено 5160 МПА з кількістю метеорів не менше п'яти і розраховані оцінки елементів середніх орбіт МПА. Далі ми прийняли , що МПА можна розглядати як пилові сліди в Сонячній системі , залишені їх батьківськими тілами ( БТ) - ядрами комет і деякими з астероїдів , орбіти яких зближуються з орбітою Землі ( NEC і NEA ) . Кластер- аналіз середніх орбіт МПА і вибірки орбіт індивідуальних метеорів з 
«учителем» ( в якості якого використовувалися вибірки NEC і NEA ) , дозволив виявити МПА , потенційними РТ яких є ядра комет , у тому числі і комети 67P/ Churyumov - Gerasimenko. 
21. Виявлено кометно - астероїдно - метеороїдні комплекси (КАМК) , що дозволило зробити висновок, що багато малих тіл Сонячної системи генетично пов'язані між собою. Це в свою чергу дозволило виявити NEA , які з високою ймовірністю являють собою «висохлі » ядра комет. Той факт , що для деяких з 5160 МПА з числом метеорів 50 і більше не знайдено БТ серед відомих NEC
 і NEA , може свідчити про те , що на їх орбітах , крім дрібних тіл, що породжують метеорні сліди в атмосфері Землі , існують БТ , які ще не виявлені , і вони можуть представляти загрозу для Землі.
22. Створено базу метеорних потоків та асоціацій (МПА): усього метеорних потоків і асоціацій (МПА) , внесених до бази ХНУРЕ , з кількістю метеороідов в МПА N не менше 5 складає  5160 МПА.  З них кількість відомих МПА , отриманих іншими дослідниками – 1120. Кількість МПА , батьківськими тілами яких є NEA - 1154 з 5160 . Це підтверджує факт коректного відбору МПА , внесених до бази ХНУРЕ. Кількість МПА , батьківськими тілами яких є NEС , в базі ХНУРЕ - 39. Ця база, яка  в 2-3 рази перевищує сумарну кількість МПА у всіх опублікованих у світі каталогах, була отримана за допомогою спеціального розробленого в Харкові алгоритму кластер-аналізу А1, призначеного для обробки вибірки орбіт індивідуальних метеорів великого об'єму. Особливістю цього алгоритму є те, що він не вимагає будь яких апріорних даних відносно МПА, окрім кількості метеорів в кластері, який можна розглядати вже як МПА і порогового значення функції відстані. Алгоритм А1 аналізує структурні характеристики відповідної вибірки в 5-ти вимірному просторі елементів орбіт метеорів, виявляє невипадкові неоднорідності в ній і на базі цього будує таксономію вибірки, тобто розбиває її на дві підвибірки: одна включає тільки ті метеори, які відносяться до МПА, і друга – до спорадичних  метеорів 

ІІІ. Відкриття і дослідження малих планет в Україні

 	23. Внаслідок багаторічної програми телескопічного патрулювання небесної сфери  в Кримській астрофізичній обсерваторії відкрито і досліджено 1285  нових малих планет. Особисто М.С.Чернихом відкрито 537 астероїдів. За 30 років роботи за цією програмою був накопичений величезний спостережливий матеріал , який служить фундаментом для багатьох досліджень в області небесної механіки і будови Сонячної системи : більше 6300 положень для 80 комет і більше 65000 положень для малих планет. Керована М.С.Чернихом група спостерігачів Кримської астрофізичної обсерваторії (КрАО) займала протягом багатьох років провідне місце в Міжнародній службі спостережень малих планет. Кримський внесок в дослідження малих планет виявився одним з найбільш повних за всю історію фотографічних спостережень малих планет. Кримські астрометричні спостереження охоплюють понад 80 відсотків малих планет , відомих на той момент. У КрАО відкрито велику кількість нових малих планет , з яких 1285 каталогізовані і отримали постійні номери. Це видатне досягнення , яке має велике значення не тільки тому , що це розширює наші знання про структуру пояса астероїдів. Понад 1200 кримських малих планет отримали назви, і в міжнародні каталоги тіл Сонячної системи вписані імена багатьох великих діячів української науки і культури , географія та історія нашої країни та ін. (Кобзар, Каменяр, Сковорода, Леся, Амосов, Патон,  Київ, Одеса, Миколаїв та інші), що має велике патріотичне значення.

24. В останні 10 років великий внесок в Україні у відкриття та дослідження нових малих планет у Сонячній системі зроблено у Андрушівській обсерваторії : реалізовано метод широкомасштабних пошукових спостережень з приладами зарядового зв’язку (ПЗЗ) для вивчення сімейства астероїдів, що становлять потенційну загрозу для Землі; відкрито та досліджено 352 нових невідомих астероїдів головного поясу,  (нумерованих 128, орбіти ще 224 уточнюються): серед відкритих астероїдів об’єктів головного поясу – 115; троянців Юпітера -1;  астероїдів, що наближаються до Землі (АЗС) – 2 та одна  згасла комета сімейства Юпітера (2008 KB12). Вивчено фігури та параметри обертання астероїдів шляхом високоточних фотометричних спостережень; розроблено програмне забезпечення для автоматичної обробки пошукових спостережень в реальному часі; автоматизовано спостережні комплекси на базі сучасних ІТ-технологій; створено комплекс для спектрально-фотометричних досліджень комет та астероїдів. Значна частина з відкритих в Андрушівці малих планет удостоєна Міжнародним астрономічним союзом   назв в честь українських діячів науки і культури, а також міст і сел України. 
Ю.І. Волощук	М.С. Черних	
		
Ю. М. Іващенко	К.I. Чурюмов	
		
В.Г.Кручиненко	Л.М. Шульман	
		
В.П. Таращук