Výzkumy v ASU AV ČR (157): Vznik shluků asteroidů vícenásobným rotačním štěpením

O existenci shluků mladých planetek víme jen o něco málo déle než deset let. A jejich objev i počáteční výzkum byl výhradně v režii vědců s českými kořeny. Shluky se staly zajímavou oblastí výzkumu v oboru meziplanetární hmoty. Situace je o to zajímavější, že slovo „shluk“ je v tomto významu čistě abstraktní. Značí skupinu planetek, které mají velmi podobné oběžné dráhy a zřejmě tak pocházejí z jednoho původního tělesa. V čase jsou ale jednotliví členové shluku od sebe oddělovány gravitačními i negravitačními poruchami a dnes tedy tento „shluk“ rozhodně nenajdeme v jednom místě prostoru, ale naopak rozptýlený v celé rozsáhlé oblasti pásu planetek. Identifikace jednotlivých členů shluku je tak obtížná a úspěšnost odhalení klesá s velikostí jednotlivých fragmentů a se stářím daného shluku. 

V této chvíli není postaveno na jistotu, jak shluky planetek vznikají. Modely se víceméně shodují v tom, že původní impuls vyšel z jednoho mateřského tělesa, které bylo roztočeno negravitačními vlivy (zejména tzv. YORP jevem) nad kritickou hranici, kdy přestalo být těleso soudržné a rozletělo se na fragmenty. Některé ze shluků ale vykazují známky opakovaných rozpadů. A zde se hypotézy rozcházejí. Zatímco jedna předpokládá, že se původní těleso opět roztočilo nad kritickou mez a uvolnilo další fragmenty, jiná předpokládá, že druhá epocha rozpadání musí souviset s katastrofickou srážkou. 

Tuto otázku se pokusili otestovat Petr Fatka, doktorand Petra Pravce z Oddělení meziplanetární hmoty ASU, společně s Davidem Vokrouhlickým z Univerzity Karlovy, a to s pomocí numerických simulací. Nejprve se ale zaměřili na výběr vhodných kandidátů. Prozkoumali celkem šestnáct známých asteroidálních shluků. V nich nejprve s pomocí kritéria založeného na blízkosti orbitálních elementů jednotlivých fragmentů dohledávali v databázi planetek další možné členy. Pro každý z vyšetřovaných shluků tento krok identifikoval 150-350 podezřelých. Pro tyto planetky pak prováděli zpětnou integraci drah v čase a sledovali, zda se jejich vybrané dráhové elementy (určující orientaci dráhy v prostoru) shodovaly ve stejném čase, což je nezbytná podmínka vycházející z teorie rozpadu mateřského tělesa rotačním štěpením. Požadavek na shodu dráhových elementů eliminoval značnou část kandidátů. Ti zbylí podstoupili další test ve formě detailní zpětné integrace jejich drah s cílem odhalit, jestli se asteroidy mohly v minulosti sejít ve stejném čase a prostoru s malou potkávací, což by odpovídalo rotačnímu rozpadu mateřského tělesa. Přísná kritéria umožnila v další práci soustředit se pouze na shluky, u nichž byly známky dvou nebo více rozpadových událostí. 

Numerická simulace se zpětnou integrací byla použita také pro určení času rozpadu. Dráhové elementy jsou z pozorování známy s určitou přesností a tyto nepřesnosti v čase rostou. Autoři tedy každý z potenciálních fragmentů nahradili tisícovkou jeho klonů, jejichž dráhové parametry byly zvoleny náhodně v rámci statistických nejistot a také s jinou sílou Jarkovského jevu, který má potenciál negravitačně měnit trajektorie. Vhodnost nebo nevhodnost kandidátů byla posuzována statisticky a stejně tak bylo možné statisticky vyhodnotit pravděpodobný věk fragmentu, tedy čas v minulosti, kdy se daný fragment nejpravděpodobněji oddělil od mateřského tělesa. Celkově zůstaly ve finálním studovaném vzorku čtyři shluky planetek. 

Autoři testovali následující mechanismus tzv. kaskádního štěpení: původní asteroid je YORP efektem roztočen nad kritickou mez, od tělesa odletí sekundární složky, které svým únikem zpomalí rotaci zbytku mateřského tělesa. Stále však na něj působí YORP efekt, těleso se opět roztáčí, dosahuje kritické rotace a opět se štěpí. Tento proces modelovali s pomocí zjednodušeného počítačového modelu. Výsledky jsou pro testované shluky různé. 

Pro shluk s mateřským tělesem Kap‘bos s celkově pěti sekundárními tělesy platí hypotéza velmi dobře. Odhadovaný odstup mezi dvěma štěpeními je asi 2 miliony let, což je velmi blízké době nutné k roztočení zbytku hlavního tělesa po prvním rozpadu nad kritickou hranici. 
Pro shluk Emilkowalski, u něhož jsou dobře patrné známky přinejmenším dvou rozpadů v posledních pěti milionech let, je odhad roztáčení YORPem asi dvacetkrát delší. Samotný YORP tedy nemůže vysvětlit vznik tohoto shluku. Autoři ale poukazují, že údaje o tomto shluku nasvědčují o tom, že by Emilkowalski mohl být jádrem vyhaslé komety, která má odlišné fyzikální parametry než typický asteroid. 

Shluk planetky (63440) s dalšími třemi členy je opět s pracovní hypotézou konzistentní. Přinejmenším dvě rozpadové události se odehrály s odstupem několikrát delším než je nutná doba k roztočení zbylého primáru. Autoři navíc poukazují, že z jejich simulací vyplývá, že by do shluku mohl patřit ještě přinejmenším jeden velký asteroid, který tak čeká na objevení. 

A konečně shluk planetky (157123) vykazuje odštěpení dvou sekundárů v různých časových okamžicích. Model sice dobře reprodukuje vlastnosti prvního páru, ale již nedokáže vysvětlit oddělení dalšího tělesa. Analýza simulace pak klade nejistotu ve znalosti rodinných stavů jednotlivých členů a zejména pak napovídá, že planetka (157123) možná není pravým primárem tohoto shluku. 

Na závěr autoři hledali nějaké společné vlastnosti shluků s podezřením na kaskádní štěpení a žádné nenalezly. Zdá se tedy, že tato hypotéza může být platná pro libovolné shluky asteroidů.  

REFERENCE

P. Fatka, P. Pravec, D. Vokrouhlický, Cascade disruptions in asteroid clusters, Icarus 338 (2020) 113554, preprint arXiv:1911.11586

KONTAKTY

Mgr. Petr Fatka 
fatka@asu.cas.cz
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

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

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