Výzkumy v AsÚ AV ČR (145): Rotační štěpení planetek vytváří asteroidální páry a shluky

Dnes se obecně soudí, že až na výjimky nejsou planetky příliš soudržnými tělesy, ale že spíše připomínají gravitačně vázané hromady suti (anglicky „rubble pile“). Pokud tedy rotační rychlost planetky překročí kritickou hodnotu, při které se odstředivá síla vyrovná síle gravitační, mohou z tělesa odletět jeho fragmenty nebo části. Tento mechanismus je hlavním podezřelým v otázce vzniku dvojplanetek (taky zvaných binární planetky). Vzniklá dvojplanetka se pak může dále rozpadnout, zejména z důvodu výměny rotační a orbitální energie mezi jejími složkami. Tím vznikne orbitální pár planetek, tedy dvojice planetek na již samostatných, ale velmi podobných drahách kolem Slunce. Za určitých okolností se ovšem může původní těleso rozštěpit i do více než jen dvou částí a při jejich násleném uvolnění pak vzniká nikoli orbitální pár, ale orbitální shluk planetek.

Jakým způsobem ovšem může být planetka roztočena na kritickou rychlost? Nejpravděpodobnějším mechanismem urychlování rotace planetek je působení negravitačních sil, zejména díky ohřevu povrchu planetky slunečním zářením a následným zpožděným vyzářením infračervených fotonů, což je tzv. YORP efekt. Výsledný silový moment je sice malý, ale při dlouhodobém působení změní rotační stav tělesa včetně jeho roztočení až nad kritickou mez.

Samo hledání asteroidálních orbitálních párů nebo shluků je poměrně komplikovanou záležitostí. Je zapotřebí strojově projít elementy oběžných drah známých planetek a stanovit určité kritérium, zhodnocující „blízkost“ nebo „podobnost“ jejich drah. Působením rušivých vlivů mohou být oběžné dráhy těles nyní již výrazně jiné, než před mnoha tisíci lety, kdy k rozpadu původního tělesa došlo. Kritérium podobnosti drah umožňuje označit tělesa, která jsou ze společného původu podezřelá. K prokázání jejich genetické souvislosti je zapotřebí provést zpětnou integraci drah těchto těles daleko do minulosti, a to se započtením jednak gravitačního vlivu Slunce a planet Sluneční soustavy, ale také vlivu větších planetek a přirozeně také negravitačního, tzv. Jarkovského efektu. Zpětné integrace se provádějí pro sadu dráhových „klonů“ testovaných těles, přičemž orbitální parametry „klonů“ zohledňují nejistoty určení současných drah těchto těles. Kromě potvrzení jejich genetické souvislosti tyto zpětné integrace rovněž umožňují odhadnout stáří daného asteroidálního páru nebo shluku, tedy čas, který uplynul od rozštěpení mateřského tělesa.

Studium asteroidálních párů a shluků je dosti mladý obor, jejich existence byla poprvé zjištěna teprve v letech 2006–2008. Dosavadní literatura o nich navíc z valné části pochází z rukou astronomů nesoucích česká jména. Je tedy přirozené, že čeští odborníci, a to nejen ti z ASU, v započatém trendu pokračovali a stali se tak předními autory dvou velmi rozsáhlých prací, publikovaných v loňském a letošním roce v časopise Icarus. V nich autoři studovali vlastnosti 93 asteroidálních párů a 13 shluků.

Petr Pravec již v dřívější práci vypracoval analytický model pro rozpad asteroidu s nulovou nebo zanedbatelnou materiálovou kohezí na asteroidální pár. Tento model dává předpověď vlastností daného asteroidálního páru po rozpadu, a to zejména na poměr hmotností fragmentu a primárního tělesa a také na periodu jeho zbytkové rotace. Tento model byl nyní otestován vůči nejnovějším pozorováním asteroidálních párů, ale byl také zobecněn na situaci asteroidálních shluků a na jejich datech jej autoři rovněž otestovali. Model je založen na principu a teorii rotačního štěpení, nevyžaduje tedy působení jiných mechanismů, např. srážek mezi planetkami. Klíčovým faktorem je, že předpověď rotačního stavu členů asteroidálních párů je testovatelná. V současné době jsou totiž k dispozici metodiky, které pomocí měření její světelné křivky umožňují určit tvar planetky a její rotační stav, tedy periodu rotace, její charakter (tedy jde-li o rotaci kolem hlavní osy tělesa nebo o excitovaný rotační stav) a také směr rotační osy v prostoru.

V obou pracích autoři ukazují, že pro převážnou většinu studovaných asteroidálních párů a shluků jsou jejich vlastnosti ve velmi dobré shodě s teorií rotačního štěpení. Výpočty provedené separátně pro jednotlivá tělesa shluku v některých případech, např. v případě shluku planetky (16598) Brugmansia, indikují, že se všechny fragmenty od mateřského tělesa oddělily přibližně ve stejné době. V některých případech ale výsledky ukazují na dvě možná stěpení a v případě planetky (14627) Emilkowalski dokonce na opakovaný, možná kaskádní rozpad. Ani tento scénář není v rozporu s teorií Petra Pravce. Z třinácti studovaných shluků jich jedenáct velmi dobře odpovídalo předpovědím daného modelu. Výjimkou jsou dva shluky s vysokým poměrem hmot fragmentů a primárního tělesa; k jejich vzniku muselo přispět ještě něco jiného, než pouze kritická rotace. Naproti tomu z 93 studovaných asteroidálních párů jich hned 86 odpovídá předpovědi teorie P. Pravce. Ze zbývajících sedmi párů se tři zdají být jen v nevýznamné neshodě s daným modelem, zřejmě pouze z důvodu observační nedostatečnosti, ale čtyři páry se předpovědi vymykají. Autoři otestovali hypotézu, podle níž tyto zvláštní anomální páry vznikly rotačním štěpením extrémně zploštělých planetek s následnou změnou tvaru fragmentů, ale zatím ji nedokázali potvrdit. Vysvětlení původu těchto čtyř anomálních párů tedy čeká na další práci v budoucnu.

Aby to bylo ještě zajímavější, tak autoři zjistili, že u třinácti asteroidálních párů je primární (tedy ta hmotnější) komponenta ve skutečnosti dvojplanetkou. Jde tedy o systémy, v nichž vznikly dva fragmenty, ovšem jen jeden z nich byl ze systému vyvržen a nyní se nachází na samostatné dráze kolem Slunce, ale druhý zůstal k primáru vázaný, tedy kolem něj stále ještě obíhá. Je otázkou, zda takové systémy vznikly jako „selhavší shluky“, nebo jako důsledek kaskádního štěpení. První situace by odpovídala případu, kdy se těleso rotačně rozštěpí na více fragmentů, ale některý z nich nepřekoná gravitaci primáru a zůstane k němu připoután. Druhá situace by pak byla podobná výše zmíněnému případu orbitálního shluku planetky (14627) Emilkowalski.

Přímý vývojový scénář propojující asteroidální páry a shluky zůstává ještě otázkou dalšího výzkumu. Obě studie především ukazují, že rozpady malých těles ve Sluneční soustavě nejsou pouze výsledkem jejich vzájemných srážek, byť ty přirozeně také nastávají a hrají rovněž důležitou roli. Svoji úlohu však plní i pomalé ale dlouhodobé působení negravitačních sil, o jejichž významu pro formování a vývoj asteroidů se před pouhými pár desítkami let ještě ani nevědělo.

REFERENCE

Pravec P. a kol., Asteroid clusters similar to asteroid pairs, Icarus 304 (2018) 110-126
Pravec P. a kol, Asteroid pairs: A complex picture, Icarus 333 (2019) 429-463

KONTAKT

Mgr. Petr Pravec, Dr.
petr.pravec@asu.cas.cz
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.