Rezonansowy obiekt transneptunowy - Resonant trans-Neptunian object

W astronomii , A rezonansowy obiekt transneptunowy jest przedmiotem trans Neptuńskich (NOT) w średniej tempie rezonansu orbitalnego z Neptune . Okresy orbitalne obiektów rezonansowych pozostają w prostych, całkowitych relacjach z okresem Neptuna, np. 1:2, 2:3 itd. TNO rezonansowe mogą być albo częścią głównej populacji pasa Kuipera , albo bardziej odległą populacją dysków rozproszonych .

Dystrybucja

Rozmieszczenie obiektów transneptunowych. Obiekty zajmujące silniejsze rezonanse są zaznaczone na czerwono.

Diagram ilustruje rozmieszczenie znanych obiektów transneptunowych. Obiekty rezonansowe są zaznaczone na czerwono. Rezonanse orbitalne z Neptunem zaznaczono pionowymi kreskami: 1:1 oznacza położenie orbity Neptuna i jego trojanów ; 2:3 oznacza orbitę Plutona i plutinów ; i 1:2, 2:5 itd. zaznaczają pewną liczbę mniejszych rodzin. Oznaczenia 2:3 lub 3:2 odnoszą się do tego samego rezonansu dla TNO. Nie ma dwuznaczności, ponieważ TNO mają z definicji okresy dłuższe niż Neptuna. Użycie zależy od autora i dziedziny badań.

Początek

Szczegółowe badania analityczne i numeryczne rezonansów Neptuna wykazały, że obiekty muszą mieć stosunkowo precyzyjny zakres energii. Jeśli wielka półoś obiektu znajduje się poza tymi wąskimi zakresami, orbita staje się chaotyczna, z szeroko zmieniającymi się elementami orbitalnymi. Po odkryciu TNO, ponad 10% okazało się być w rezonansach 2:3, dalekich od losowego rozkładu. Obecnie uważa się, że obiekty zostały zebrane z większych odległości w wyniku rezonansów wymiatających podczas migracji Neptuna. Na długo przed odkryciem pierwszego TNO sugerowano, że interakcja między gigantycznymi planetami a masywnym dyskiem małych cząstek, poprzez przeniesienie pędu kątowego , spowoduje migrację Jowisza do wewnątrz i migrację Saturna, Urana, a zwłaszcza Neptuna na zewnątrz. W tym stosunkowo krótkim czasie rezonanse Neptuna omiatałyby przestrzeń, zatrzymując w rezonans obiekty na początkowo zmieniających się orbitach heliocentrycznych.

Znane populacje

Rezonans 1:1 (trojany Neptun, okres ~164,8 lat)

Odkryto kilka obiektów poruszających się po orbitach o półosiach wielkich podobnych do orbity Neptuna, w pobliżu punktów Lagrange'a Słońce – Neptun . Te trojany Neptuna , określane przez analogię do asteroid trojańskich (Jowisz) , są w rezonansie 1:1 z Neptunem. 28 jest znanych na luty 2020. Tylko 5 obiektów znajduje się w pobliżu punktu Lagrange'a L ₅ Neptuna , a identyfikacja jednego z nich jest niepewna; pozostałe znajdują się w Neptuna L ₄ regionu. Ponadto (316179) 2010 EN 65 jest tak zwanym „skoczącym trojanem”, który obecnie przechodzi od libracji wokół L ₄ do libracji wokół L ₅ , poprzez region L ₃ .

Czołowe trojany w L ₄

Śledzenie trojanów w L ₅

Rezonans 2:3 („plutyny”, okres ~247,94 lat)

Ruchy ORCUS i Plutona w obracającej się ramie o okresie równym Neptune jest okresem orbitalnym (gospodarstwa Neptune stacjonarnej)

Pluton i jego księżyce (na górze) porównane pod względem wielkości, albedo i koloru z Orcusem i Ixionem

Rezonans 2:3 przy 39,4 AU jest zdecydowanie dominującą kategorią wśród obiektów rezonansowych. Według stanu na luty 2020 r. obejmuje 383 potwierdzone i 99 możliwych członków (takich jak (175113) 2004 PF 115 ). Spośród tych 383 potwierdzonych plutynów, 338 ma swoje orbity zabezpieczone w symulacjach przeprowadzonych przez Deep Ecliptic Survey . Obiekty poruszające się po orbitach w tym rezonansie nazywane są plutinami na cześć Plutona , pierwszego takiego ciała odkrytego. Duże, ponumerowane plutyny to:

Rezonans 3:5 (okres ~275 lat)

Do lutego 2020 r. potwierdzono, że 47 obiektów znajduje się w rezonansie orbitalnym 3:5 z Neptunem. Wśród ponumerowanych obiektów znajdują się:

Rezonans 4:7 (okres ~290 lat)

Inna populacja obiektów krąży wokół Słońca z prędkością 43,7 AU (pośrodku klasycznych obiektów ). Obiekty są raczej małe (z dwoma wyjątkami, H >6) i większość z nich porusza się po orbitach zbliżonych do ekliptyki . Według stanu na luty 2020, 55 obiektów w rezonansie 4:7 miało swoje orbity zabezpieczone przez Deep Ecliptic Survey. Obiekty o dobrze ustalonych orbitach obejmują:

rezonans 1:2 ("twotinos", okres ~330 lat)

Ten rezonans przy 47,8 AU jest często uważana za zewnętrzną krawędzią na taśmie Kuiper i przedmioty w tym rezonansu są czasami nazywane twotinos . Twotino mają nachylenie mniejsze niż 15 stopni i generalnie umiarkowane mimośrody między 0,1 a 0,3. Nieznana liczba rezonansów 2:1 prawdopodobnie nie pochodziła z dysku planetozymali, który został ominięty przez rezonans podczas migracji Neptuna, ale został przechwycony, gdy zostały już rozproszone.

W rezonansie tym jest znacznie mniej obiektów niż plutino. Archiwum Johnstona liczy 99, podczas gdy symulacje przeprowadzone przez Deep Ecliptic Survey potwierdziły 73 stan na luty 2020. Długoterminowa integracja orbity pokazuje, że rezonans 1:2 jest mniej stabilny niż rezonans 2:3; tylko 15% obiektów w rezonansie 1:2 przetrwało 4 Gyr w porównaniu z 28% plutynów. W konsekwencji mogło się zdarzyć, że twotino początkowo było tak liczne jak plutino, ale od tego czasu ich populacja spadła znacznie poniżej populacji plutynów.

Obiekty o dobrze ustalonych orbitach obejmują (w kolejności od wielkości absolutnej ):

Rezonans 2:5 (okres ~410 lat)

W lutym 2020 r. istnieje 57 potwierdzonych obiektów rezonansowych 2:5.

Obiekty o dobrze ustalonych orbitach na 55,4 AU obejmują:

rezonans 1:3 (okres ~500 lat)

Archiwum Johnstona liczy 14 obiektów rezonansowych 1:3 według stanu na luty 2020 r. Kilkanaście z nich jest bezpiecznych zgodnie z Deep Ecliptic Survey:

Inne rezonanse

(523794) Orbita 2015 RR ₂₄₅ wibruje w rezonansie 2:9 z Neptunem

Od lutego 2020 r. dla ograniczonej liczby obiektów potwierdzono następujące rezonanse wyższego rzędu:

Haumea

Libracja nominalnej orbity Haumea jest w obracającą się ramę , z Neptune spoczynku (patrz 2 Pallas na przykład nie librating)

Kąt Libracja${\displaystyle \phi}$ słabego 7:12 rezonansu Haumea jest z Neptune, w ciągu następnych 5 milionów lat${\ Displaystyle \ phi = {\ rm {12 \ cdot \ lambda - {\ rm {7 \ cdot \ lambda _ {\ rm {n}} - {\ rm {5 \ cdot \ varpi - {\ rm {1\ cdot \Omega }}}}}}}}}$

Uważa się, że Haumea znajduje się w przerywanym rezonansie orbitalnym 7:12 z Neptunem. Jego węzeł wstępujący precesuje z okresem około 4,6 miliona lat, a rezonans jest przerywany dwa razy w cyklu precesji, czyli co 2,3 miliona lat, by powrócić mniej więcej sto tysięcy lat później. Marc Buie kwalifikuje to jako nierezonansowe. ${\ Displaystyle \ Omega}$

Przypadkowe kontra prawdziwe rezonanse

Jedną z obaw jest to, że mogą istnieć słabe rezonanse, które trudno byłoby udowodnić ze względu na obecny brak dokładności orbit tych odległych obiektów. Wiele obiektów ma okresy orbitalne dłuższe niż 300 lat, a większość z nich została zaobserwowana w stosunkowo krótkim, kilkuletnim łuku obserwacyjnym . Ze względu na ich dużą odległość i powolny ruch na tle gwiazd, mogą minąć dziesięciolecia, zanim wiele z tych odległych orbit zostanie wystarczająco dobrze określonych, aby z pewnością potwierdzić, czy rezonans jest prawdziwy, czy tylko przypadkowy . Prawdziwy rezonans będzie płynnie oscylował, podczas gdy przypadkowy bliski rezonans będzie krążył. (Patrz W stronę formalnej definicji )

Symulacje Emel'yanenko i Kiselevy z 2007 roku pokazują, że (131696) 2001 XT 254 libruje w rezonansie 3:7 z Neptunem. Ta libracja może być stabilna przez mniej niż 100 milionów do miliardów lat.

Okres orbitalny 2001 XT ₂₅₄ wokół rezonansu 3:7 (2.333) Neptuna.

Emel'yanenko i Kiseleva pokazują również, że (48639) 1995 TL 8 wydaje się mieć mniej niż 1% prawdopodobieństwa bycia w rezonansie 3:7 z Neptunem, ale wykonuje cyrkulacje w pobliżu tego rezonansu .

W okresie orbitalnym 1995 TL 8 brakowało rezonansu 3:7 (2.333) Neptuna.

W kierunku formalnej definicji

Klasy TNO nie mają powszechnie uzgodnionych precyzyjnych definicji, granice są często niejasne, a pojęcie rezonansu nie jest precyzyjnie zdefiniowane. Badanie Deep Ecliptic Survey wprowadziło formalnie zdefiniowane klasy dynamiczne oparte na długoterminowej integracji orbit w przód pod wpływem połączonych perturbacji ze wszystkich czterech planet olbrzymów. (patrz także formalna definicja klasycznego KBO )

Ogólnie rzecz biorąc, rezonans ruchu średniego może obejmować nie tylko okresy orbitalne postaci

${\ Displaystyle {\ rm {p \ cdot \ lambda - {\ rm {q \ cdot \ lambda _ {\ rm {N}}}}}}}$

gdzie p i q są małymi liczbami całkowitymi, λ i λ _N są odpowiednio średnimi długościami geograficznymi obiektu i Neptuna, ale mogą również obejmować długość geograficzną peryhelium i długości geograficzne węzłów (patrz rezonans orbitalny , podstawowe przykłady)

Obiekt jest rezonansowy, jeśli dla jakichś małych liczb całkowitych (p,q,n,m,r,s) argument (kąt) zdefiniowany poniżej jest librujący (tzn. jest ograniczony):

${\ Displaystyle \ phi = {\ rm {p \ cdot \ lambda - {\ rm {q \ cdot \ lambda _ {\ rm {n}} - {\ rm {m \ cdot \ varpi - {\ rm {n \ cdot \Omega -{\rm {r\cdot \varpi _{\rm {N}}-{\rm {s\cdot \Omega _{\rm {N}}}}}}}}}}}} }}$

gdzie to są długościami geograficznymi peryhelii, a to długościami geograficznymi węzłów wstępujących , dla Neptuna (z indeksami „N”) i obiektu rezonansowego (bez indeksów). ${\displaystyle \varpi}$${\ Displaystyle \ Omega}$

Termin libracja oznacza tutaj okresowe oscylacje kąta wokół pewnej wartości i jest przeciwieństwem cyrkulacji, w której kąt może przyjmować wszystkie wartości od 0 do 360°. Na przykład w przypadku Plutona kąt rezonansu libruje około 180° z amplitudą około 86,6°, czyli kąt zmienia się okresowo od 93,4° do 266,6°. ${\displaystyle \phi}$

Wszystkie nowe plutino odkryte podczas Deep Ecliptic Survey okazały się być tego typu

${\ Displaystyle \ phi = {\ rm {3 \ cdot \ lambda - {\ rm {2 \ cdot \ lambda _ {\ rm {N}} - \ varpi}}}}}$

podobny do rezonansu średniego ruchu Plutona.

Mówiąc bardziej ogólnie, rezonans 2:3 jest przykładem rezonansów p:(p+1) (na przykład 1:2, 2:3, 3:4), które okazały się prowadzić do stabilnych orbit. Ich kąt rezonansu to

${\ Displaystyle \ phi = {\ rm {p \ cdot \ lambda - {\ rm {q \ cdot \ lambda _ {\ rm {n}} - ({\ rm {p-{\ rm {q) \ cdot \ varpi }}}}}}}}}$

W tym przypadku znaczenie kąta rezonansowego można zrozumieć, zauważając, że gdy obiekt znajduje się na peryhelium, tj. wtedy ${\displaystyle \phi \,}$${\ Displaystyle \ lambda = \ varpi }$

${\ Displaystyle \ phi = q \ cdot (\ varpi - \ lambda _ {\ rm {N}})}$

tj. podaje miarę odległości peryhelium obiektu od Neptuna. Obiekt jest chroniony przed perturbacją przez utrzymywanie jego peryhelium z dala od Neptuna, pod warunkiem, że libruje wokół kąta dalekiego od 0°. ${\displaystyle \phi \,}$${\displaystyle \phi \,}$

Metody klasyfikacji

Ponieważ elementy orbitalne są znane z ograniczoną dokładnością, niepewności mogą prowadzić do wyników fałszywie dodatnich (tj. klasyfikacji jako rezonans orbity, która nie jest). Najnowsze podejście uwzględnia nie tylko aktualną, najlepiej dopasowaną orbitę, ale także dwie dodatkowe orbity odpowiadające niepewności danych obserwacyjnych. Mówiąc prościej, algorytm określa, czy obiekt byłby nadal klasyfikowany jako rezonansowy, gdyby jego rzeczywista orbita różniła się od najlepiej dopasowanej orbity, w wyniku błędów w obserwacjach. Trzy orbity są numerycznie zintegrowane przez okres 10 milionów lat. Jeśli wszystkie trzy orbity pozostają w rezonansie (tj. argument rezonansu libruje, patrz definicja formalna ), klasyfikacja jako obiektu rezonansowego jest uważana za bezpieczną. Jeśli tylko dwie z trzech orbit librują, obiekt jest klasyfikowany jako prawdopodobnie w rezonansie. Wreszcie, jeśli tylko jedna orbita przejdzie test, odnotowuje się bliskość rezonansu, aby zachęcić do dalszych obserwacji w celu poprawy danych. Dwie skrajne wartości wielkiej półosi użytej w algorytmie są określone tak, aby odpowiadały niepewności danych o co najwyżej 3 odchyleniach standardowych . Taki zakres wartości półosi powinien, przy wielu założeniach, zmniejszyć prawdopodobieństwo, że rzeczywista orbita znajdzie się poza tym zakresem do mniej niż 0,3%. Metodę stosuje się do obiektów, których obserwacje obejmują co najmniej 3 opozycje.

Bibliografia

Dalsza lektura

• Johna K. Daviesa; Luis H. Barrera, wyd. (2004-08-03). Pierwszy dekadowy przegląd pasa Edgewortha-Kuipera . Skoczek. Numer ISBN 1-4020-1781-2.
• EI Czanga; JR kochający; RL Millisa; MW Buie; LH Wasserman i KJ Meech (czerwiec 2003). „Rezonansowe i świeckie rodziny Pasa Kuipera”. Ziemia, Księżyc i Planety . Springer Holandia. 92 (1–4): 49–62. arXiv : astro-ph/0309250 . Kod Bibcode : 2003EM&P...92...49C . doi : 10.1023/B:księżyc.0000031924.20073.d0 . S2CID  189905712 .
• EI Czanga; AB Jordania; RL Millisa; MW Buie; LH Wassermana; JL Elliota; SD Kern; DE Tryling; KJ Meech i RM Wagner (2003-01-21). „Zajęcie rezonansowe w Pasie Kuipera: przykłady przypadków rezonansów 5:2 i trojanów”. Czasopismo Astronomiczne . 126 (1): 430–443. arXiv : astro-ph/0301458 . Kod Bibcode : 2003AJ....126..430C . doi : 10.1086/375207 . S2CID  54079935 .
• Renu Malhotra. „Pas Kuipera jako dysk gruzu” (PDF) . Zarchiwizowane z oryginału (PDF) 22.10.2005. Cytowanie dziennika wymaga |journal=( pomoc )( jako HTML )