招かれざる客：地球近傍小惑星の軌道上のエイリアン分子

太陽系には、8 つの惑星のほかにも、数メートルから数百キロメートルの大きさの小惑星や彗星が飛び回っていることがわかっています。これらを総称して太陽系の小天体と呼びます。現在までに、太陽系内の小天体は120万個近く発見されており（そのほとんどは活動が観測されていない小惑星）、その数は年々増加し続けています。

太陽系内部で現在発見されている小惑星の軌道分布 |出典: 著者

ほとんどの小惑星は、火星と木星の間の小惑星帯に位置しており、メインベルト小惑星と呼ばれます。一般的に言えば、これらの美しい小惑星は、それぞれの楕円軌道で太陽の周りを安全に回り、互いに平和に共存しますが、互いに衝突して、異なる軌道を持つ多数の破片を生成する可能性は常に一定あります。さらに、大きな惑星の重力の乱れや複雑な熱物理的影響により、小惑星の軌道は地球近傍空間にまで移動する可能性があります。天文学者は、近日点距離が 1.3 au (au は天文単位で、太陽と地球の平均距離) 未満の小惑星を地球近傍小惑星として分類します。

メインベルト小惑星と比較すると、地球近傍小惑星は進化の過程で軌道がより急激かつ頻繁に変化し、地球の軌道と交差して地球に衝突する危険性もあるため、それほどかわいらしいものではないと思われます（その中でも、直径140メートル以上、地球との最小交差距離が0.05天文単位以内のものは潜在的に危険な地球近傍小惑星と呼ばれ、これまでに2,275個が発見されています）。そのため、各国の天文学者が地球近傍小惑星に注目しています。

これまでに発見された潜在的に脅威となる地球近傍小惑星の軌道分布 |出典: 著者

最近、2022年3月11日に、2022 EB5という番号の地球近傍小惑星が地球の大気圏に落下する2時間前に観測されました。幸運なことに、この小惑星は大きさが約1メートルで、大気圏に突入した後に燃え尽きたため、私たちは誤報を受け取った。

2022 EB5 が地球に衝突する前の軌道（立体感をよりよく反映するため、小惑星の軌道と黄道面の垂線が描かれています） |出典: astorb.com

地球近傍小惑星は地球の安全保障上の潜在的な脅威となる可能性があるため、その軌道を正確に測定し予測することは重要な研究テーマです。ただし、この点はこの記事の主題ではありません。この記事の主な目的は、地球近傍小惑星の軌道構成、特に奇妙で興味深い事例について、興味のある読者に理解してもらうことです。

実際、天文学者は、地球近傍小惑星を、楕円軌道の長半径、近日点距離、遠日点距離に基づいて、アモール、アテン、アポロ、アティナの 4 つのカテゴリに分類しています。ここではこれらの分類については詳しく説明しません。興味のある読者は、Baidu で検索してそれらの違いを調べることができます。この記事では、極端な軌道特性や特殊な軌道形状構成を持つ興味深い地球近傍小惑星に焦点を当てます。

2017 UR52 - 3つの記録: 最も平坦な軌道、最も長い周期、最も長い遠日点距離

まずは、3つの「世界記録」を破った地球近傍小惑星2017 UR52を紹介します。この小惑星は直径約200メートルで、2017年10月29日にカタリナ・スカイサーベイ望遠鏡によって発見されました。発見当時、この小惑星は近日点に近づいており、太陽中心からの速度は秒速37キロメートルでした。 2017 UR52 の公転周期は 5000 年を超えており、これまでに発見された地球近傍小惑星の中で最も長い公転周期 (つまり、最大の軌道長半径) を持つ小惑星となっています。さらに、この小惑星の軌道離心率は0.9957に達し、これまでに発見された中で最も平坦な軌道を持つ地球近傍小惑星となっている。最後に、最大の軌道長半径と最大の離心率に基づいて、この小惑星は、これまでに発見された地球近傍小惑星の中で最も遠地点距離が長く、海王星の平均軌道半径の19倍に相当する584 auに達すると推測されます。実は、2017 UR52の軌道型は長周期彗星に似ているのですが、近日点付近に到達した際に活動していないことが判明したため、彗星として分類されませんでした。

地球近傍小惑星 2017 UR52 の軌道の概略図 |出典: astorb.com

2005 HC4 - 2つの記録: 最短近日点距離と最速走行

2005 HC4 は、2005 年 4 月 30 日にローウェル天文台によって発見された、直径約 250 メートルの地球近傍小惑星です。この小惑星は離心率が 0.961 と大きく、近日点が 0.071 au であるため、これまでに発見された地球近傍小惑星の中で最も近日点距離が短く、水星と太陽の距離の 0.23 倍となっています (近日点に到達したときの気温がどのくらいになるか想像してみてください)。長半径が1.821 auであることを考慮すると、近日点における速度は毎秒157キロメートルと計算でき、これはこれまでに発見された太陽中心軌道上で瞬間速度が最も速い地球近傍小惑星となります。

地球近傍小惑星 2005 HC4 の軌道の概略図 |出典: astorb.com

2021 PH27 - 最短軌道周期

2017 UR52とは対照的に、2021年8月13日に発見された地球近傍小惑星2021 PH27（直径約1km）は、軌道長半径が0.462au、離心率が0.712、公転周期がわずか0.314年と、最も短い軌道周期を持っています。この小惑星は完全に地球の軌道内にあるため、地球内小惑星とも呼ばれます。しかし、地球の観測者から見ると、小惑星と太陽の相対角度が小さいため、観測できる機会は比較的少ない。一般的に、小惑星が遠日点に近づき、地球がちょうど良い位置にある夜明けか夕暮れ時にのみ観測できます。

地球近傍小惑星 2021 PH27 の軌道の模式図 |出典: astorb.com

「嵐と風の逆行」 - 逆行する地球近傍小惑星

太陽系の大きな惑星のほとんどは軌道傾斜角が 0° に近く、太陽の周りを順行して公転していることがわかっています。この現象は、太陽系が初期に形成されたときに、物質のほとんどが原始惑星系円盤に集中していたという事実に関係しています。地球近傍小惑星のほとんども「順行」運動（軌道傾斜角が 90° 未満）で周回しますが、複雑なメカニズムにより軌道傾斜角が 90° を超える地球近傍小惑星も少数存在し、これらは「逆行」地球近傍小惑星と呼ばれます。現在、このタイプの地球近傍小惑星は 5 つ知られています: 2014 PP69 (傾斜角 93.7°)、2017 UR52 (傾斜角 108.3°)、2019 EJ3 (傾斜角 139.8°)、(343158) マルシュアス (傾斜角 154.4°)、および 2020 BZ12 (傾斜角 165.5°)。

いくつかの研究では、小惑星と木星の 3:1 軌道共鳴 (つまり、木星と小惑星の軌道周期の比率が 3:1) が、このような小惑星の形成の理由である可能性があることが示されています。一部の学者は、逆行する地球近傍小惑星は、高離心率の彗星の軌道の進化に関連しているとも考えています。実際、地球近傍小惑星のほか、太陽系で発見された他の種類の逆行小惑星の総数は122個に達しています。これらの「逆行小惑星」は天体力学分野の研究者の間で大きな関心を集めており、軌道の起源や移動メカニズム、軌道寿命、分布特性などについて多くの研究が行われています。

地球近傍小惑星 2020 BZ12 の軌道の模式図 |出典: astorb.com

「内向き」/「外向き」タイプの地球近傍小惑星

次に、やや特殊な軌道形状を持つ 2 種類の地球近傍小惑星、「内接」および「外接」地球近傍小惑星について考えます。ここでの「内側」または「外側」は地球の軌道を指し、つまり、小惑星の軌道の遠日点または近日点が地球の軌道に接している（遠日点または近日点は 0.983 au から 1.017 au の間である）。たとえば、(325102) 2008 EY5 と (100085) 1992 UY4 は、それぞれ前者と後者のカテゴリに属します。それらの軌道形状は「美しい」ように見えるが、地球の安全に対する潜在的な脅威であることは間違いない。離心率が0.2より大きい場合を考えると、これまでに発見された「外内接型」地球近傍小惑星の数は2,319個に達しているのに対し、「内内接型」地球近傍小惑星の数はわずか66個で、前者は後者の35倍である。このような大きな数の差は、実際の個体数分布に関係しているが、観察における「選択効果」にも関係している可能性がある。

地球近傍小惑星 (325102) 2008 EY5 の軌道の概略図 |出典: astorb.com

地球近傍小惑星 1992 UY4 の軌道の概略図 |出典: astorb.com

2016 HO3 - 地球の「準衛星」

地球近傍小惑星の公転周期が地球の公転周期に非常に近く、1:1 の軌道共鳴を形成する場合、その小惑星は共軌道小惑星と呼ばれます。地球の軌道には一定の離心率があるため、太陽の周りの角速度は一定ではありません。また、小惑星の軌道もしばしば一定の離心率を持つことを考慮すると、最終的には、太陽地球回転座標系において、地球に対する小惑星の動きが周期的に現れる可能性が出てきます。この周期の中心が地球の近くにある場合 (中心が地球の軌道の前後約 60 度の太陽と地球の三角秤動点にある場合、その小惑星は地球「トロヤ」小惑星と呼ばれます)、地球から見ると小惑星は地球を「周回」しているように見えます。このタイプの小さな天体は「準衛星」型地球近傍小惑星と呼ばれます。これは、この現象が主に軌道幾何学の影響によるものであるためです。地球の中心からの実際の距離は、地球の重力の範囲よりもはるかに大きいです。したがって、月のように本当に地球の重力の支配下で地球を周回しているわけではありません。

これまでに5つの準衛星小惑星が発見されています。最も有名なのは、直径約40メートルの（469219）カモオアレワ（または2016 HO3）です。この小惑星は我が国の将来の深宇宙探査のターゲットです。計画によれば、私たちはこの小惑星に着陸し、研究サンプルを収集して地球に持ち帰る予定です。 2016 HO3は、これまでに発見された5つの準衛星の中で最も優れた軌道安定性を持っています。今後300年間は「準衛星」のままで、100万年間は地球と同じ軌道上に留まると予想されている。

図太陽地球回転座標系における今後 100 年間の地球近傍小惑星 2016 HO3 の軌道の模式図 |出典: astorb.com

2020 CD3——「ミニムーン」

地球近傍小惑星が比較的低速で地球・月系に進入すると、地球・月系に捕獲され、地球の天然衛星になる可能性があります。しかし、捕獲された後の小惑星の軌道エネルギーはまだ比較的大きいため、一般的には時間の経過とともに進化し、最終的には地球-月系の重力から逃れることになります。したがって、そのような小惑星は地球の一時的な衛星としてのみ考えることができます。

2020年2月15日にカタリナ・スカイサーベイによって発見された2020 CD3は、そのような地球近傍小惑星の1つです（直径はわずか約3メートルと推定されています）。軌道をたどると、この小惑星はおそらく2017年9月頃に地球・月系の重力に捕らえられ、その後複雑な重力環境の中で地球を周回し、2020年5月に地球・月系から離脱したことが判明した。発見後、この小惑星は大きな注目を集め、かつては地球の「ミニ月」と呼ばれていた。

2020 CD3（紫）が地球（青い点）に捕らえられた後の軌道運動。黄色は月の軌道を表しています。 |画像出典: wikipedia

2010 TK7 と 2020 XL5 – 地球トロヤ群小惑星

地球の公転面において、地球と同じ軌道にあり、地球の前後60°に位置する位置を太陽地球三角秤動点（または太陽地球ラグランジュL4、L5点）と呼びます。小惑星が太陽と地球の三角秤動点の近くで往復運動する場合、そのような小惑星は地球トロヤ小惑星と呼ばれます。太陽・木星三角秤動点と比較すると、太陽・地球三角秤動点は安定性が低いため、一般的に小惑星がここに長期間留まることは困難です。かつては地球上に木星に似たトロヤ群小惑星は存在しないと考えられていたが、2010年10月に米国のWISE宇宙望遠鏡がL4点付近で最初のトロヤ群小惑星2010 TK7（大きさ約300メートル）を発見した。研究によれば、2010 TK7 は約 1,800 年前に地球の L4 地点付近で「捕獲」され、15,000 年後に L5 地点に移動したか、あるいは「脱出」して地球にとってトロヤ群小惑星ではなくなった可能性がある。

5 つの太陽 - 地球ラグランジュ点の概略図。L4 と L5 はそれぞれ地球の前方と後方 60° に位置します。 |画像出典: wikipedia

地球のトロヤ群小惑星の探索は止まっていない。 2017年、米国のオシリス・レックスと日本のはやぶさ2小惑星探査機は飛行中に地球のL4およびL5領域を捜索したが、残念ながら何も発見されなかった。良いニュースとしては、10年後の2020年12月12日に、米国のパンスターズ計画が2番目の太陽地球L4小惑星2020 XL5を発見したことです。この小惑星の直径は1.2キロメートルと大きめです。軌道計算によれば、この小惑星は約500年前に地球トロヤ群小惑星として「捕獲」され、4000年後に現在の軌道を離れることになる。

他の種類の地球近傍小惑星と比較すると、これら 2 つのトロヤ小惑星が地球の安全に対して及ぼす脅威ははるかに小さい。少なくとも、数千年の間は地球に衝突する心配はありません。しかし、これらの小惑星は、その独特の力学的特性が太陽系の初期の形成史に関する重要な手がかりを提供するのに役立つため、科学的に非常に興味深いものです。さらに、一部の学者は、低傾斜のトロヤ群小惑星は地球へのアクセスが容易なため、太陽系探査のための宇宙基地となり、宇宙資源開発の対象になる可能性もあると指摘している。

太陽地球回転座標系における小惑星 2010 TK7 の軌道 |出典: Wikipedia

要約すると、地球近傍小惑星の軌道は実に奇妙であることがわかります。小惑星の軌道特性、軌道の起源、進化に関する研究は、太陽系の形成中の動的環境をより深く理解するのに役立つだけでなく、地球の安全を脅かす地球近傍小惑星から人類を守る方法を研究するのにも役立ちます。

参考文献:

1. https://www.minorplanetcenter.net/

2. https://academic.oup.com/mnras/article/462/4/ 3441/2589984

3. http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/ 31429/1/95-1108.pdf

4. https://academic.oup.com/mnras/article/446/2/1867/2893013

5. https://central.bac-lac.gc.ca/.item?id=TC-BVAU-37251&op=pdf&app=Library&oclc_number=1033018583

6. https://astronomical.fandom.com/wiki/2020_CD3

7. http://www.astorb.com

著者について

胡守村