ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Бельська Ірина Миколаївна

УДК 523.44                     

ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОВЕРХOНЬ АСТЕРОЇДІВ,

КЕНТАВРІВ ТА ТІЛ ПОЯСУ КОЙПЕРА

01.03.03 – Геліофізика і фізика Сонячної системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті астрономії Харківського

національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор фізико-математичних наук, професор

Шкуратов Юрій Григорович,

НДІ астрономії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, директор. |

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Відьмаченко Анатолій Петрович,

Головна астрономічна обсерваторії НАН України,

завідувач відділу фізики тiл Сонячної системи;

доктор фізико-математичних наук, професор

Кручиненко Віталій Григорович,

НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського

національного університету імені Тараса Шевченка;

доктор фізико-математичних наук, професор

Прокоф’єва-Михайловська Валентина Володимріна,

НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія” МОН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: | Радіоастрономічний інститут НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться 16 листопада 2007 р. на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д .208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України (03680 МСП, м. Київ,

вул. Академіка Заболотного, 27; т.526-47-58).

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної астрономічної обсерваторії НАН України (03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27).

Автореферат розісланий 12 жовтня 2007 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук І.Е. Васильєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відкриття зовнішнього поясу малих тіл, що знаходиться за орбітою Нептуна, суттєво змінило уявлення про Сонячну систему. Головний пояс астероїдів, розташований між орбітами Марса і Юпітера, перестав бути унікальним утворенням, а планета Плутон виявилася одним з об'єктів поясу Койпера. За 15 років, що минули з часу відкриття першого транснептунового тіла, знайдено більше 1100 таких тіл, розподіл орбіт яких свідчить про складну динамічну структуру зовнішнього поясу. Вважається, що популяція кентаврів, до яких відносять тіла, що мають перигелій між орбітами Юпітера й Нептуна, також динамічно пов'язана з тілами поясу Койпера і являє собою перехідну групу від цих тіл до комет сімейства Юпітера. Змінилися уявлення й про джерела походження астероїдів внутрішнього поясу, частина яких могла утворитися в зовнішній частині Сонячної системи й перейти на сучасні орбіти в результаті складної динамічної еволюції. Розуміння процесів походження й еволюції малих тіл різних динамічних класів та їхніх взаємозв'язків одне із актуальніших питань сучасного планетознавства. Для перевірки динамічних моделей виняткову цінність становить інформація про фізичні властивості малих тіл різних динамічних класів. Все це обумовило актуальність дисертаційної роботи, присвяченої вивченню оптичних властивостей популяцій малих тіл, що знаходяться у внутрішній та зовнішній частинах Сонячної системи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках планових НДР НДІ астрономії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, у тому числі “Астероїди головного поясу та поблизу орбіти Землі: фізичні властивості, зв'язок з кометами та метеорами” (номер державної реєстрації 0197U002490), “Фізичні властивості і проблеми походження астероїдів та комет” (номер державної реєстрації 0199U004412), “Фізичні властивості астероїдів і комет за даними фотометрії, поляриметрії та чисельного моделювання” (номер державної реєстрації 0101U002790), “Фотометричні та поляриметричні дослідження астероїдів і комет” (номер державної реєстрації 0104U000666). Частина роботи виконана в межах НДР “Дослідження опозиційного ефекту яскравості та поляризації у низькоальбедних астероїдів” Державного фонду фундаментальних досліджень Міносвіти та науки України (номер державної реєстрації 0106U011936) та спільної українсько-болгарської НДР “Поляриметрія і спектрофотометрія віддалених астероїдів, кентаврів і короткоперіодичних комет” Міносвіти та науки України (номер державної реєстрації 0106U011935), в яких здобувач була науковим керівником.

Частина досліджень проведена в межах спільних програм із НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія”, Паризькою та Безансонською обсерваторіями (Франція), Туринською обсерваторією та Університетом м. Падова (Італія), Національним університетом м. Сан-Хуан (Аргентина), Інститутом астрофізики Андалузії (Іспанія), Інститутом астрономії (Болгарія). Спостереження на телескопах Південної європейської обсерваторії (Чілі) проведені в межах європейських Великих програм з вивчення транснептунових тіл (№ 167.C-0340 й 275.C-5048).

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є вивчення оптичних властивостей популяцій малих тіл, що знаходяться у внутрішніх і зовнішніх областях Сонячної системи, пошук кореляцій між їх фізичними та динамічними характеристиками і розвиток методів дистанційного зондування поверхонь малих тіл.

Для досягнення цієї мети вирішувалися наступні задачі:

1. Проведення детальних фотометричних і поляриметричних спостережень обраних астероїдів головного поясу з різними властивостями відбивання поверхонь та пошук ефектів, передбачених теоретичними моделями зворотного розсіювання світла твердими поверхнями космічних тіл.

2. Поширення методів дослідження оптичних властивостей поверхонь астероїдів на вивчення тіл поясу Койпера і оцінка ролі опозиційних ефектів в інтерпретації результатів спостережень малих тіл зовнішнього поясу.

3. Здійснення широкої програми поляриметричних спостережень астероїдів різних динамічних груп і різних типів поверхонь, у тому числі рідкісних композиційних типів.

4. Розробка класифікації тіл поясу Койпера за оптичними типами їх поверхонь.

Об'єкт дослідження: астероїди, кентаври, тіла поясу Койпера.

Предмет дослідження: оптичні і фізичні характеристики малих тіл.

Методи досліджень: фотометрія, поляриметрія, статистичний аналіз, порівняння результатів спостережень з результатами чисельного і лабораторного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Отримано нові дані про властивості поверхонь 35-ти транснептунових тіл і 8-ми кентаврів за результатами вимірювань показників кольору в BVRI смугах, що дало можливість разом з вимірами інших авторів встановити нові кореляції показників кольору поверхонь з орбітальними параметрами. Виявлено дві групи тіл у розподілі кентаврів за показниками кольору BV і VR, що свідчить на користь припущення про два різні джерела їхнього походження. На основі аналізу показників кольору BR вперше отримана оцінка граничного нахилу орбіт, що розділяє динамічно спокійну “холодну” і динамічно збуджену “гарячу” популяції класичних транснептунових тіл. Ця оцінка збігається із величиною, передбаченою за динамічними моделями.

2. Запропоновано першу класифікацію тіл поясу Койпера за величинами показників кольору їх поверхонь BV, VR, VI, VJ. Виділено чотири групи тіл з різними спектральними нахилами у видимій та ближній інфрачервоній ділянках спектра від нейтральних (BB-тип) до дуже червоних (RR-тип). BR-тип включає об'єкти із проміжними значеннями показників кольору, а IR-тип – з помірно червоними поверхнями. Показано, що більшість об'єктів можна впевнено класифікувати, якщо відомі тільки три показники кольору: BV, VR, VI.

3. Отримано нові дані про поляризаційні характеристики поверхонь 106-ти астероїдів, з них для 85-ти астероїдів вимірювання ступеня лінійної поляризації світла, відбитого їх поверхнями, проведено вперше. Це значно розширило дані про оптичні властивості поверхонь астероїдів різних динамічних груп і композиційних типів, і дало змогу виявити нові закономірності в поводженні фазових залежностей поляризації.

4. Встановлено, що кут інверсії в фазовій залежності поляризації астероїдів головного поясу змінюється в більш широких межах, нiж вважалося раніше. Виявлено астероїди з рекордно малим (~14є) та рекордно великим (~28є) кутами інверсії, причому глибина від’ємної поляризації Рmin цих астероїдів істотно порушує відому залежність Рmin від альбедо. Вперше показано, що відносно невелика від’ємна поляризація з малим кутом інверсії характерна для поверхонь низькоальбедних астероїдів F-типу. Можливим поясненням особливих властивостей астероїдів цього типу може бути оптична однорідність мікроструктури реголіту їх поверхонь в масштабах порядку довжини хвилі у видимій ділянці спектра.

5. Вперше показано, що слабкий опозиційний ефект яскравості низькоальбедних астероїдів, коли практично відсутнє нелінійне зростання блиску поблизу опозиції при фазових кутах <2є, супроводжується невеликою від’ємною поляризацією з малим кутом інверсії. Можливість існування такого ефекту передбачалася теоретичними моделями зворотного розсіювання світла.

6. Виявлено й вивчено раніше невідомі особливості фазового ходу блиску та поляризації транснептунових тіл при малих фазових кутах, що істотно відрізняються від аналогічних характеристик астероїдів головного поясу та свідчать про вiдмiннiсть оптичних властивостей їхніх поверхонь. Вперше відмічена можливість оцінки альбедо поверхонь транснептунових тіл за величиною опозиційного піку яскравості.

7. Отримано перші оцінки альбедо, діаметра та композиційного типу поверхні об'єкта космічної місії “Rosetta” – астероїда 2867 Штейнс.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність дисертаційної роботи визначається великою кількістю оригінальних спостережень астероїдів, кентаврів і тіл поясу Койпера, результати яких уже багаторазово використовувалися та будуть використовуватись в майбутньому. Результати спостережень увійшли до міжнародних баз даних “Asteroid Photometric Catalogue”, “Planetary Data System, NASA”, “Photometric Database for Kuiper Belt Objects”. Результати вимірювань опозиційних ефектів астероїдів і тіл поясу Койпера використовуються для перевірки теоретичних моделей зворотного розсіювання світла твердими поверхнями та для розвитку методів дистанційного зондування поверхонь космічних тіл. Класифікація тіл поясу Койпера, що запропонована в дисертаційній роботі, є важливим кроком у вивченні популяції зовнішнього поясу малих тіл Сонячної системи. Результати дисертаційної роботи було використано при відборі астероїдів для дослідження космічною місією “Rosetta” Європейського космічного агентства.

Особистий внесок здобувача. Більша частина досліджень виконана на основі фотометричних і поляриметричних спостережень астероїдів, кентаврів і тіл поясу Койпера, проведених в межах кооперативних програм, що були ініційовані дисертантом. Щоб мінімізувати вплив погодних умов, забезпечити достатнє охоплення за кутами фази та підвищити вірогідність виявлення нових ефектів, дисертантом було організовано координовані спостереження за участю декількох об-серваторій, включаючи обсерваторії південної півкулі. У роботах [1, 6, 11, 17, 23, 27, 30] дисертанту належить ідея й постановка задачі, участь у спостереженнях, обробка результатів спостережень, аналіз даних, їх інтерпретація та написання статей. У роботах [3, 4, 7, 14, 29, 35] дисертанту належить ідея й постановка задачі, аналіз та інтерпретація даних і написання статей. У роботах [2, 5, 810, 13, 20, 21] дисертант брав участь у постановці наукової задачі, обробці результатів спостережень, аналізі даних, інтерпретації, обговоренні й написанні статей. У роботі [16] автором разом з Н. Пейшино було проведено обробку спостережень та аналіз даних. У роботі [19] ідея належить дисертанту та А. Баруччі, дисертантом проведено аналіз даних, розрахунки та написання статті. У роботах [22, 24, 25] автор брав участь у постановці задачі, відборі об'єктів спостережень, підтримці сервісних спостережень, обробці результатів спостережень, аналізі даних, інтерпретації, обговоренні й написанні статей. У роботах [12, 18, 31, 36] автор брав участь в аналізі даних, їх інтерпретації та обговоренні текстів статей. У роботах [15,26] автор брав участь у спостереженнях. У роботах [28, 33, 34] автор брав участь в розробці концепції фотометричного каталогу астероїдів, зборі, систематизації та аналізі даних спостережень. У роботі [32] автором написано розділ, присвячений опозиційним ефектам астероїдів.

Апробація результатів досліджень. Матеріали дисертації доповідалися:

- на міжнародних симпозіумах “Asteroids, Comets, Meteors” (Італія, 1993 р.; Франція, 1996 р.; Німеччина, 2002 р.; Бразилія, 2005 р.);

- на міжнародних конференціях “Small Bodies in the Solar System and their Interactions with the Planets” (Фінляндія, 1994 р.); “Astronomy in Ukraine 2000 р. and beyond” (Київ, 2000 р.); “Asteroids 2001 from Piazzi to the third millennium” (Італія, 2001 р.); “Astronomy in Ukraine – Past, Present and Future” (Київ, 2004 р.); 35th COSPAR Scientific Assembly (Франція, 2004 р.); “Astrono-my and Space physics at Kyiv University” (Київ, 2005 р.); Division for Planetary Sciences of American Astronomical Society: 26th (США, 1994 р.), 36th (США, 2004 р.), 37th (Великобританія, 2005 р.), 38th (США, 2006 р.);

- на міжнародних робочих групах “The first decadal review of the EdgeworthKuiper belt” (Чілі, 2003 р.); “Trans Neptunian Objects: Dynamical and Physical Properties” (Італія, 2006 р.);

- на семінарах НДІ астрономії Харківського національного університету, НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія”, НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Упсальської обсерваторії (Швеція), Паризької та Безансонської обсерваторій (Франція), Німецького Аерокосмічного центру (DLR, Берлін).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 36 публікаціях, з яких 26 у наукових фахових журналах, 6 у збірниках праць міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, який включає 360 найменувань, та додатка. Загальний обсяг дисертації складає 296 сторінок. Дисертація містить 85 рисунків і 26 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, її зв’язок з науковими програмами, визначені мета та задачі досліджень, методи їх розв’язання. Визначено наукову новизну отриманих результатів та практичну цінність проведеного дослідження, відзначено особистий внесок автора та апробацію одержаних результатів.

Розділ 1. Відкриття нового класу малих тіл (огляд). У цьому розділі розповідається про відкриття поясу Койпера, його динамічну структуру, гіпотези походження та еволюції зовнішнього поясу малих тіл, проводиться порівняння з поясом астероїдів. За орбітальними параметрами виділяють три основні класи об’єктів: класичні, що мають близькі до кругових орбіти з великою піввіссю 39–48 а.о.; резонансні, орбітальні періоди яких знаходяться в резонансі із обертанням Нептуна; об’єкти розсіяного диску з великими ексцентриситетами та нахилами орбіт. Класичні тіла в свою чергу поділяються на динамічно спокійну “холодну” та динамічно збуджену “гарячу” популяції. До кентаврів відносять тіла, у яких значення перигелійної відстані та великої півосі знаходяться між значеннями великих півосей орбіт Юпітера і Нептуна (5.2–30 а.о.). Відкриття поясу Койпера привело до істотного перегляду наявних моделей еволюції Сонячної системи, однак дотепер жодна з них не здатна пояснити складну динамічну структуру її зовнішньої частини. Найбільш популярною є модель міграції планет-гігантів, з якої випливає, що сучасне населення поясу Койпера являє собою залишки планетезімалей, що утворилися в різних частинах протопланетного диску. Вважається, що “холодна” популяція класичних тіл і деякі резонансні об'єкти сформувалися в тих областях Сонячної системи, де вони перебувають сьогодні, а інші транснептунові тіла потрапили на сучасні орбіти із внутрішньої частини Сонячної системи [41]. Відзначається подібність поясу Койпера та поясу астероїдів і важливість порівняння їхніх фізичних властивостей для кращого розуміння походження й еволюції тіл Сонячної системи. Зроблено короткий огляд відомих фі-зичних та оптичних властивостей малих тіл зовнішнього і внутрішнього поясів. Підкреслено велике значення поширення досвіду і методів дослідження астероїдів на вивчення фізичних властивостей тіл поясу Койпера.

Розділ 2. Результати фотометричних спостережень. Основні фотометричні спостереження обраних астероїдів головного поясу було виконано в 19892006 рр. за допомогою 0.7-м телескопа НДІ астрономії Харківського національного університету та 1-м телескопа Симеїзького відділення Кримської астрофізичної обсерваторії [57, 9, 10, 11, 27, 30]. Епізодично, в рамках спільних програм спостережень кривих блиску використовувалися інші телескопи, а саме, 0.6-м телескоп ГАО НАН України (г. Майданак, Узбекистан) [1]; 0.6-м шведський телескоп (Канарські острови, Іспанія) [1, 2, 6]; 0.5-м, 0.6-м та 1-м телескопи Південної європейської обсерваторії (Чілі) [2, 6, 9].

Спостереження кентаврів і тіл поясу Койпера проведені в 20012006 рр. з використанням 1.5-м телескопа обсерваторії С'єрра-Невада (Іспанія) [23], 2-м телескопа обсерваторії Рожен (Болгарія) [23], 3.6-м та 8.2-м телескопів Південної європейської обсерваторії (Чілі) [16].

Більша частина спостережень проведена за допомогою ПЗЗ-камер у стан-дартній фотометричній системі BVRI Джонсона-Козінса. В табл. 1 наведено характеристики комплексів телескоп ПЗЗ-камера, що використовувалися для фотометричних та поляриметричних (розділ 3) спостережень. Описано методику ПЗЗ спостережень та їх редукції. Особливу увагу приділено методиці вимірів блиску тіл поясу Койпера, видимі зоряні величини яких у більшості випадків перевищували 20m. Викладено метод апертурної корекції, який використовувався для вимірювань блиску слабких об’єктів. Наведено оцінку точності проведених вимірювань блиску. Типові похибки абсолютної фотометрії астероїдів головного поясу (?14m) становили 0.020.04m, а тіл поясу Койпера 0.050.1m.

Таблиця 1

Характеристики комплексів телескоп ПЗЗ-камера

Обсерваторія,

телескоп |

Діаметр

(м) |

Світло-сила |

ПЗЗ-камера |

Кількість пікселів | Кутовий розмір пікселя

(кут.сек.) | Поле

зору (кут.мін.)

Чугуїв, АЗТ-8 | 0.7 | f/4 | ST6UV | 375242 | 1.72.0 | 10.57.9

Сімеїз,

Цейсс 1000 | 1.0 | f/5 | ST6 | 375242 | 0.91.1 | 5.84.4

С’єрра-Невада | 1.5 | f/4 | VersArray 2048B | 20482048 | 0.230.23 | 7.97.9

Асьяго | 1.8 | f/6 | SITе | 10241024 | 0.470.47 | 8.18.1

Рожен | 2.0 | f/8 | Photometrics CE200A-SITe | 10241024 | 0.310.31 | 5.55.5

Ла Сілла,

NTT | 3.6 | f/11 | EEV |

40964096 |

0.160.16 | 5.55.5 | С’єрро Паранал,

VLT | 8.2 | f/3 | Tektronics 2048 | 20482048 | 0.200.20 | 6.86.8 |

Наведено результати вимірювання періодів обертання та фазових залежностей блиску астероїдів головного поясу з різними композиційними типами поверхні. Для 21 астероїда періоди обертання визначено вперше або істотно уточнюють попередні вимірювання [1, 2, 5, 6, 810, 27]. Результати спостережень увійшли до фотометричного каталогу, створеного за участю автора [28, 33, 34]. Підкреслено важливість адекватного врахування варіацій блиску, пов'язаних з обертанням, при побудові фазових залежностей блиску.

Детально обговорюється виміряний хід фазових залежностей блиску астероїдів 20 Массалія (S-тип), 214 Ашера (Е-тип), 303 Жозефіна (С-тип), 313 Чалдея (С-тип), 419 Аврелія (F-тип), 620 Драконія (Е-тип) і 1021 Фламмаріо (F-тип). Підтверджено малу величину опозиційного ефекту блиску у низькоальбедного астероїда F-типу 419 Аврелія [30]. Відхилення від лінійності виявлені тільки при дуже малих фазових кутах (б?0.7°), при цьому їх значення не перевищують 0.07m відносно екстраполяції лінійної частини фазової залежності на б=0.1° (рис. 1а). Виявлено ще один низькоальбедний астероїд (1021 Фламмаріо), що також відноситься до F-типу, у фазовій кривій блиску якого не знайдені відхилення від лінійної залежності, які перевищують похибки вимірювання (рис. 1б). Для низькоальбедних астероїдів С-типу 303 Жозефіна (рис. 1в) та 313 Чалдея характерним є звичайний хід фазових залежностей блиску із амплітудою 0.2m, що починається при фазових кутах б?6°. На прикладі астероїда 20 Массалія доведено, що амплітуда опозиційного ефекту середньоальбедного астероїда може досягати 0.4m при фазовому куті б=0.1° відносно екстраполяції лінійної частини фазової залежності (рис. 1г). Високоальбедні астероїди Е-типу 214 Ашера та 620 Драконія мають близькі фазові залежності блиску з невеликим фазовим нахилом (0.021m/град) і опозиційним ефектом, що починається при фазових кутах б4.5є [11]. Ці залежності подібні виміряним раніше фазовим кривим блиску трьох інших астероїдів Етипу.

Рис.1. Фазові залежності блиску астероїдів головного поясу (V смуга).

Рис.2. Фазова залежність блиску об’єкта поясу Койпера 20000 Варуна.

Наведено результати спостережень фазової залежності блиску класичного тіла поясу Койпера 20000 Варуна [23]. Показано, що нелінійне зростання блиску починається при дуже малих фазових кутах і досягає 0.15m відносно екстраполяції лінійної частини фазової залежності на б=0.05° (рис. ). Знайдено вказівки на наявність подібного вузького опозиційного піку в фазових залежностях блиску кентавра 10370 Хілонома, транс-нептунового тіла 15789 (1993 SC) і карликової планети 136199 Еріс. Виявлено збільшення амплітуди кривої блиску Варуни в області опозиційного піку в порівнянні із амплітудою при більших фазових кутах, що може бути пов'язане з варіаціями розсіювальних властивостей поверхні цього тіла. Подібним ефектом можна пояснити розбіжності в амплітудах кривих блиску при спостереженнях в різні опозиції, виявлені для транснептунових тіл 15789 (1993 SC) і 19308 (1996 ТЕ66). Показано, що неврахування опозиційного ефекту при спостереженнях при фазових кутах б<0.1° може привести до завищення амплітуди кривих блиску транс-нептунових тіл [14, 23].

Представлено результати вимірювань показників кольору поверхонь 35-ти транснептунових тіл і 8-ми кентаврів в BVRI спектральних смугах, а також обчислено абсолютні зоряні величини цих тіл та зроблені оцінки їх діаметрів [16]. Тільки у двох з них (1999 XX143 та 2000 GP183) відмічено можливі варіації показників кольору по поверхні, що перевищують похибки вимірювання, а для інших тіл результати повторних вимірювань добре погоджуються між собою.

Розділ 3. Результати поляриметричних спостережень. У цьому розділі представлено результати поляриметричних спостережень астероїдів і транс-нептунових тіл, що проведені на чотирьох обсерваторіях. Спостереження на 1.25-м телескопі НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія” [11, 17, 30] та на 2.15-м телескопі обсерваторії Ель Леонсіто (Аргентина) [11, 17, 20, 21] виконані за допомогою однотипних п’яти-канальних фотометрівполяриметрів, які дають змогу вимірювати ступінь лінійної поляризації одночасно в усіх UBVRI спектральних смугах. Спостереження на 1.8-м телескопі обсерваторії Асьяго (Італія) [25] і на 8.2-м телескопі Південної європейської обсерваторії (Чілі) [22, 24] проведено в сервісному режимі в V і R спектральних смугах за допомогою ПЗЗ-камер, оснащених поляриметричною оптикою. Характеристики ПЗЗ-камер обох поляриметрів наведено в табл. 1. Завдяки оригінальній конструкції ПЗЗ-поляриметра обсерваторії Асьяго, в якому використана подвійна призма Волластона, зображення об’єкту з напрямками поляризації 0, 45, 90, 135 отримуються одночасно. Це дає змогу уникнути помилок, пов'язаних з неодночасними експозиціями. Всі поляриметри були ретельно тестовані. Джерела інструментальної поляризації досліджувалися та враховувалися стандартним способом за допомогою вимірів поляриметричних стандартів. Характерна точність визначення інструментальних параметрів поляризації в V і R спектральних смугах була 0.030.05%. Описано методику поляриметричних спостережень та оцінку точ-ності. Похибки вимірів обчислювалися як за статистикою зареєстрованих від об’єкта імпульсів, так і за дисперсією виміряних параметрів поляризації. Більша частина вимірів ступеня лінійної поляризації випромінювання від астероїдів була виконана з точністю 0.05–0.15%. Спостереження одного й того ж об’єкта за допомогою різних телескопів добре узгоджувалися між собою.

За результатами спостережень, проведених у 1996–2006 рр. в межах кооперативної міжнародної програми, виконані вимірювання ступеня лінійної поляризації для 106-ти астероїдів, причому для 85-ти астероїдів це перші вимірювання поляризаційних властивостей поверхні. Зокрема, вперше проведені поляримет-ричні спостереження астероїдів А- і D-типів [20, 25]. Наведені залежності ступеня поляризації випромінювання астероїдів від фазового кута для астероїдів основних композиційних типів та обчислені середні значення поляриметричних параметрів: величина мінімуму від’ємної поляризації Pmin, фазовий кут мінімуму поляризації min, кут інверсії поляризації inv та нахил фазової залежності поблизу кута інверсії h (табл. 2).

Таблиця 2

Середні параметри фазових залежностей поляризації випромінювання від

астероїдів різних композиційних типів

Тип | Альбедо | Pmin (%) | min (град) | inv (град) | h (%/град)

F | 0.05 | 1.15 ±0.10 | 7.0 ±1.7 | 15.5 ±1.5 | 0.327 ±0.037

C | 0.07 | 1.55 ±0.55 | 8.7 ±2.1 | 19.7 ±1.5 | 0.369 ±0.039

M | 0.15 | 1.08 ±0.25 | 8.4 ±1.3 | 22.0 ±2.0 | 0.170 ±0.010

S | 0.20 | 0.77 ±0.20 | 8.0 ±1.2 | 20.6 ±2.0 | 0.107 ±0.005

A | 0.48 | 0.40 ±0.10 | 18.1 ±1.5 | 0.044 ±0.008

E | 0.51 | 0.31 ±0.05 | 4.7 ±1.3 | 18.0 ±1.5 | 0.042 ±0.013

Тільки для 13-ти із 106-ти астероїдів виявлено істотні (~515 у) відхилення виміряних величин ступеня поляризації від середньої фазової кривої, характерної для даного типу поверхні. Це астероїди 12 Вікторія, 21 Лютеція, 48 Доріс, 71 Ніоба, 97 Клото, 152 Атала, 153 Гільда, 186 Селюта, 189 Фтія, 234 Барбара, 420 Бертольда, 785 Зветана й 893 Леопольдіна. Практично всі вони мають особливі спектральні властивості поверхонь, що підтверджує діагностичне значення поляриметричних спостережень для визначення композиційного типу астероїдів.

Найбільшу відмінність поляриметричних характеристик від середньої фазової залежності поляризації знайдено у астероїда S-типу 234 Барбара (рис. 3а). Його фазова залежність характеризується значною від’ємною поляризацією з |Pmin| ? 1.3% та рекордно великим кутом інверсії inv ~28 [21]. За даними [39] цей астероїд належить до Ld підгрупи S-типу, спектри якої своїми великими нахилами нагадують спектри астероїдів примітивного D-типу поверхні. Астероїд 234 Барбара, діаметр якого ~44 км, є найбільшим представником цієї рідкісної підгрупи, властивості інших Ld астероїдів залишаються невідомими. Подальші спостереження повинні відповістити на запитання, чи є великий кут інверсії характерним саме для астероїдів цієї підгрупи, або поверхня астероїда Барбара є з якихось причин унікальною.

Інший випадок нетипових поляриметричних характеристик виявлено у низькоальбедного астероїда F-типу 419 Аврелія. Його фазова залежність характеризується відносно малою від’ємної поляризацією з |Pmin| 1% і рекордно малим кутом інверсії inv 14 (рис. 3б). Це перший випадок виявлення у астероїдів так званого ефекту “насичення” поляризації, що проявляється в порушенні зворотної кореляції “Pminальбедо” для дуже темних поверхонь [50]. Показано, що фазові залежності поляризації ще чотирьох астероїдів F-типу: 704 Інтерамнія (за даними [49]), 142 Полана, 302 Клариса та 1021 Фламмаріо характеризуються малим кутом інверсії [17].

Рис. 3. Фазові залежності поляризації астероїдів 234 Барбара (а) і 419 Аврелія (б).

Обговорено результати вимірювань фазового ходу поляризації при малих фазових кутах для астероїдів 20 Массалія (S-тип), 214 Ашера (Е-тип), 419 Аврелія (F-тип) і 620 Драконія (Е-тип). Пошук вторинного мінімуму від’ємної поляризації, існування якого передбачалося в [44] для високоальбедних поверхонь і знайдено для астероїда Етипу 64 Ангеліна [48], не дав позитивних результатів. Проведені спостереження показали наявність невеликої від’ємної поляризації для всіх виміряних астероїдів, фазовий хід якої не відрізнявся від стандартного в межах похибок спостережень [11]. У той же час, спостереження низькоальбедного астероїда 1021 Фламмаріо (F-тип) не показали наявності від’ємної поляризації при фазових кутах 0.1–1.0° в V, R, I спектральних смугах в межах досягнутої точності спостережень (0.05%) [25].

Наведено результати спостережень чотирьох астероїдів, що наближаються до Землі: 1627 Івар, 3200 Фаетон, 23817 (2000 PN9) і 144898 (2004 VD17). Спостереження астероїдів 23817 (2000 PN9) та 144898 (2004 VD17) проведені при великих фазових кутах поблизу максимуму фазової кривої поляризації. Виміряний ступінь лінійної поляризації Р=7.68±0.08% при фазовому куті б=115° для асте-роїда 2000 PN9 і Р=2.35±0.13% при б=76° для астероїда 2004 VD17 свідчить про їхню належність до S- і E-типу відповідно. Проведені вимірювання дозволили уточнити величину та фазовий кут максимуму поляризації астероїдів S- і E-типу. Вперше визначено геометричне альбедо (pv=0.45) і зроблена оцінка діаметра (D~320 м) астероїда 2004 VD17 , що вважається потенційно небезпечним для Землі.

Представлено результати перших поляриметричних спостережень чотирьох тіл зовнішнього поясу: кентавра 2060 Хірон, карликової планети 136199 Еріс, класичних транснептунових тіл 20000 Варуна та 50000 Куаоар. Спостереження кентавра Хірон виявили наявність значної від’ємної поляризації з мінімумом |Pmin| ~1.4% при фазовому куті min~2.0° (рис. 4) [22]. Настільки велика від’ємна поляризація на малих фазових кутах не характерна для інших малих тіл Сонячної системи. Спостереження карликової планети 136199 Еріс виявили незначну від’ємну поляризацію, що не перевищує 0.2% в діапазоні фазових кутів 0.15–0.51°. Відзначено подібність фазового ходу поляризації при малих фазових кутах у найбільших тіл поясу Койпера (Еріс, Куаоар і Плутон за даними [38, 42]), що характеризується повільною зміною ступеня поляризації зі зміною фазового кута. Для двох інших транснептунових тіл (Варуна та Іксіон за даними [37]) спостерігається швидке збільшення від’ємної поляризації (~1%/град) із зростанням фазового кута в діапазоні 0.1–1°.

Рис. 4. Фазова залежність поляризації Рис. 5. Залежність ступеня поляризації

для кентавра 2060 Хірон. від альбедо для тіл поясу Койпера.

Знайдено кореляцію між мінімумом від’ємної поляризації та альбедо поверхонь транснептунових тіл, що спостерігалися (рис. 5), подібну до залежності “Рmin – альбедо”, характерної для астероїдів головного поясу. Наявність такої кореляції може свідчити про те, що мінімум від’ємної поляризації транснептунових тіл знаходиться саме на малих фазових кутах 1–2. Якщо існування такої залежності підтвердиться подальшими спостереженнями, це може дати незалежний метод визначення альбедо поверхні транснептунових тіл за даними поляриметричних спостережень.

Розділ 4. Аналіз фазових залежностей блиску й поляризації. Цей розділ присвячено аналізу особливостей фазових залежностей блиску та поляризації випромінювання для астероїдів і транснептунових тіл. Коротко розглянуто основні механізми, що відповідальні за формування фазових залежностей. Підкреслюється важливість спільного вивчення опозиційних ефектів блиску та поляризації для перевірки моделей розсіювання світла реголітоподібними поверхнями. Обговорюються особливості модельних функцій, що використовуються для аналізу фазових залежностей. Відзначено важливість урахування зміни кутових розмірів джерела світла при спостереженні об'єктів на різних геліоцентричних відстанях.

Згідно сучасним уявленням про механізми формування опозиційного ефекту [32, 44, 46, 47] вважається, що основний вклад вносять два механізми затінення і когерентне підсилення зворотного розсіювання світла, до того ж, внесок першого з них максимальний для темних поверхонь, а другого – для світлих. Таким чином, залежність амплітуди опозиційного ефекту від альбедо поверхні повинна містити інформацію про механізми формування цього ефекту. Показано, що альбедо поверхні є визначальним фактором у формуванні фазових залежно-стей блиску астероїдів. Відповідно до тіньового механізму фазовий нахил монотонно збільшується зі зменшенням альбедо при фазових кутах б5є. Кореляція фазового нахилу й альбедо, що спостерігається, свідчить про подібну мікро-структуру поверхні розглянутих тіл і може бути використана для оцінки альбедо. У діапазоні фазових кутів 0.35° починає проявлятися немонотонність залежності, коли внесок ефекту когерентного підсилення зворотного розсіювання світла стає порівняним із внеском ефекту затінення, що призводить до практичної рівності амплітуди опозиційного ефекту для низько- та високоальбедних по-верхонь. Максимальна амплітуда спостерігається для середньоальбедних астеро-їдів з типовим альбедо ~20%, що може свідчити про спільний внесок обох механізмів [7]. Хід фазової залежності блиску від альбедо при екстремально малих фазових кутах (~0.05), відстежений за даними вимірювань блиску транснептунових тіл, супутників Урана й Сатурна, а також за даними лабораторних вимірювань, свідчить про збільшення амплітуди опозиційного піку із збільшенням альбедо поверхні відповідно до механізму когерентного підсилення зворотного розсіювання світла. Наведено результати лабораторних вимірювань фазового ходу блиску зразків з різним альбедо поверхні в діапазоні фазових кутів 0.008–1.5, які демонструють відсутність помітного опозиційного піку для темних поверхонь [36]. Зростання блиску лабораторних зразків поблизу опозиції, що визначене як відношення інтенсивностей при малих фазових кутах б I(б=0.05є)/ I(б=0.1є), знаходиться в інтервалі 1.061.34 і добре узгоджується з відповідними величинами, отриманими для поверхонь космічних тіл. Одержана кореляція величини опозиційного піку, виміряного при фазових кутах б<0.1°, і альбедо поверхні, може бути використана для оцінки альбедо поверхонь транс-нептунових тіл.

Проведено порівняння фазового ходу блиску астероїдів, кентаврів і транснептунових тіл. Показано, що фазові коефіцієнти поверхонь цих тіл, обчислені для одного й того ж діапазону фазових кутів 0.3єб1.5є, майже не відрізняються за величиною, але характеризуються різними залежностями від альбедо поверхні. Якщо для астероїдів головного поясу в розглянутому діапазоні фазових кутів проявляється немонотонність залежності фазового нахилу від альбедо за рахунок збільшення амплітуди опозиційного ефекту світлих тіл, то для транснептунових тіл залежність монотонна і повністю пояснюється переважним внеском тіньового механізму. Це може свідчити про те, що внесок механізму когерентного підсилення зворотного розсіювання світла для поверхонь транснептунових тіл стає істотним при менших фазових кутах у порівнянні із астероїдами головного поясу. Такий висновок підтверджується наявністю вузьких опозиційних піків у фазових залежностях транснептунових тіл.

Проаналізовано залежність амплітуди опозиційного ефекту блиску від довжини хвилі на прикладі астероїда S-типу 433 Ерос за даними космічних спостережень у діапазоні довжин хвиль 0.8–2.4 мкм. Висновок про наявність немонотонної фазової залежності показників кольору цього астероїда не підтвердився [40]. Виявлено слабке збільшення величини опозиційного ефекту астероїда 433 Ерос зі збільшенням довжини хвилі.

Розглянуто особливості фазового ходу блиску та поляризації низькоальбедних астероїдів. Підкреслено, що слабкий опозиційний ефект яскравості, знайдений у астероїда F-типу 419 Аврелія, супроводжується відносно невеликою від’ємною поляризацією з малим кутом інверсії. Можливість існування такого ефекту передбачалась в рамках механізму когерентного підсилення зворотного розсіювання світла [45]. Спостереження ще одного астероїда F-типу 1021 Фламмаріо підтвердили виявлений для астероїда 419 Аврелія взаємозв'язок фотометричних і поляриметричних фазових кривих. Фазова залежність блиску астероїда Фламмаріо не показує нелінійного зростання блиску при малих фазових кутах, а в фазовій залежності поляризації, детально виміряній при фазових кутах =0.11є, від’ємна поляризація не знайдена в межах похибок вимірів (~0.05% у смузі V).

Проведено аналіз наявних вимірювань величини опозиційного ефекту та ступеню поляризації Pmin для низькоальбедних астероїдів. Знайдено кореляцію обох параметрів із величинами показників кольору UB. Показано, що низькоальбедні астероїди з найменшими показниками кольору (UB0.3m) характеризуються найменш вираженим опозиційним ефектом яскравості та найменшою від’ємною поляризацією в порівнянні з іншими низькоальбедними астероїдами. До цієї групи темних астероїдів відносяться переважно астероїди F-типу та деякі астероїди С- і Р-типів поверхні, що характеризуються слабким поглинанням в ближній ультрафіолетовій ділянці спектра. Знайдену залежність параметрів фазових кривих блиску та поляризації низькоальбедних астероїдів від спектрального нахилу якісно можна пояснити в межах механізму когерентного підсилення зворотного розсіювання світла. Поверхні астероїдів, для яких не проявляється опозиційний ефект, очевидно, складаються з оптично однорідної темної речовини, де переважає однократне розсіювання, що не дає когерентного підсилення. Збільшення спектрального нахилу в ультрафіолетовій ділянці спектра може вказувати на зростання відносного внеску в розсіювання світлої речовини і відповідно на зростання вкладу другого й більш високих порядків розсіювання, що призводить до збільшення внеску механізму когерентного підсилення зворотного розсіювання світла. Наведено результати лабораторного й чисельного моделювання, що показують вплив оптичної гетерогенності поверхневого шару на фазові залежності блиску та поляризації. Лабораторні виміри сумішей темної та світлої речовини показують, що добавка невеликої кількості світлої речовини з високою відбивною здатністю (~5% від загальної ваги) у темну речовину може привести до значних змін від’ємної поляризації, при цьому істотно не впливаючи на величину альбедо [17].

Показано, що для кентаврів і транснептунових тіл має місце тенденція зменшення ширини фотометричних і поляриметричних опозиційних сплесків у порівнянні з астероїдами головного поясу. В межах механізму когерентного підсилення зворотного розсіювання світла це може пояснюватися різними розмірами інтерференційної бази при розсіюванні світла в реголіті цих тіл. До подібного ефекту може призводити збільшення середніх розмірів частинок поверхні та/або збільшення пористості поверхневого шару, коли збільшується середня довжина пробігу світла між частинками реголіту. Наведено результати чисельного моделювання виміряних фазових кривих блиску і поляризації транснептунових тіл. Використовувалася чисельна модель К. Муйнонена, побудована на урахуванні когерентного розсіювання релеєвськими розсіювачами методом Монте-Карло [46]. Показано, що вузькі модельні піки від’ємної поляризації та блиску відповідають більшим довжинам вільного поширення світла в середовищі. Для по-верхонь з високою відбивною здатністю це може свідчити про те, що розсіюючі центри розташовані на достатній відстані один від одного. Зокрема, моделювання спостережень фазових залежностей поляризації та блиску високоальбедних карликових планет Еріс і Плутон, вказує на те, що їх поверхні скоріш за все вистелені достатньо великими частинками.

Розділ 5. Пошук взаємозв'язків оптичних і динамічних характеристик. У цьому розділі описується пошук взаємозв'язків оптичних властивостей по-верхонь малих тіл з різними орбітальними характеристиками, критерії і результати класифікації транснептунових тіл за типами поверхонь та розподіл класів об’єктів у поясі Койпера.

Відзначено, що астероїди F-типу, що відрізняються аномальними поляриметричними властивостями, також виділяються за своїми динамічними характеристиками. Астероїди цього типу зустрічаються переважно у внутрішній зоні головного поясу астероїдів, на відміну від інших низькоальбедних тіл.

Наведено результати пошуку кореляцій між показниками кольору кентаврів і транснептунових тіл та їхними орбітальними характеристиками. Пошук проводився для кожного динамічного класу окремо за такими параметрами: показники кольору BV, VR, BR, абсолютна зоряна величина, перигелійна відстань, велика піввісь та ексцентриситет орбіти. Детально описано виявлені залежності й дається їхня можлива інтерпретація з точки зору відповідності наявним динамі-чним моделям. Відзначається виявлена бімодальність у розподілі кентаврів за показниками кольору BV та VR (рис. 6), що може свідчити на користь припущення про два різні джерела походження цих тіл. На більшому спостережному матеріалі підтверджені кореляції показників кольору класичних тіл з нахилами орбіт і перигелійними відстанями. Показано, що динамічно “холодні” класичні тіла характеризуються показниками кольору ВR>1.5m, тобто їхні поверхні є більш “червоними” у порівнянні з динамічно “гарячою” популяцією транснептунових тіл. З аналізу дисперсії показника кольору ВR при варіюванні межі розподілу динамічно “холодної” і динамічно “гарячої” популяцій класичних тіл, отримано оцінку граничного нахилу орбіт i=4.5°, що відокремлює дві популяції (рис. 7). Ця оцінка збігається з оцінкою, що отримана за результатами моделювання процесів динамічної еволюції тіл поясу Койпера (i=4°) [43].

Рис. 6. Діаграма показників кольору Рис. 7. Залежність показників кольору

VR та BV для кентаврів. ВR класичних тіл від нахилу їх орбіт.

На основі отриманих у даній роботі й наявних спостережних даних зроблено відбір однорідних вимірювань показників кольору кентаврів і тіл поясу Койпера у видимій і ближній інфрачервоній ділянках спектра. Набір даних включає величини показників кольору 135-ти об'єктів в BVRI спектральних смугах, у тому числі 67 тіл, для яких вимірювання проведені також у смузі J, і