|
Орбита Плутона удивительно нестабильна
|
|
|
|
В 1930 году астроном Клайд Томбо открыл легендарную «Девятую планету» (или «Планету X») во время работы в обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона. Существование этого тела было предсказано ранее на основании возмущений на орбитах Урана и Нептуна. После получения более 1000 предложений со всего мира и дебатов среди сотрудников обсерватории этот новооткрытый объект был назван Плутоном, предложенным юной школьницей из Оксфорда (Венеция Берни). С тех пор Плутон был предметом серьезных исследований, споров, и 14 июля 2015 года его впервые посетила миссия New Horizons. Одна вещь, которая была ясна с самого начала, — это природа орбиты Плутона, которая сильно эксцентрична и наклонена. Согласно новому исследованию, орбита Плутона относительно стабильна в более длительных временных масштабах, но подвержена хаотическим возмущениям и изменениям в более коротких временных масштабах.
|
|
|
|
Исследование было проведено доктором Рену Малхотрой, профессором научных исследований Луизы Фукар Маршалл в Лунной и планетарной лаборатории (LPL) Аризонского университета; и Такаси Ито, адъюнкт-профессор Исследовательского центра исследования планет (PERC) Технологического института Тиба и Центра вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). Статья, описывающая их выводы, недавно появилась в Proceedings of the National Academy of Sciences. Чтобы разобрать его, орбита Плутона радикально отличается от орбит планет, которые следуют почти круговым орбитам вокруг Солнца вблизи его экватора, проецируясь наружу (так называемая эклиптика). Напротив, Плутону требуется 248 лет, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца по высокоэллиптической орбите, наклоненной на 17° к плоскости эклиптики Солнечной системы. Эксцентричный характер его орбиты также означает, что Плутон проводит 20 лет в течение каждого периода, вращаясь ближе к Солнцу, чем Нептун.
|
|
|
Природа орбиты Плутона — непреходящая загадка, о которой астрономы узнали вскоре после ее открытия. С тех пор были предприняты многочисленные попытки смоделировать прошлое и будущее его орбиты, которые выявили удивительное свойство, защищающее Плутон от столкновения с Нептуном. Как сказал д-р Малхотра Universe Today по электронной почте, это состояние орбитального резонанса, известное как «резонанс среднего движения»: «Это условие гарантирует, что в то время, когда Плутон находится на том же гелиоцентрическом расстоянии, что и Нептун, его долгота почти на 90 градусов отличается от долготы Нептуна. орбиты Нептуна; это другой тип орбитального резонанса, известный как «осцилляции vZLK».
|
|
|
|
Эта аббревиатура относится к фон Цейпелю, Лидову и Козаи, изучавшим это явление в рамках «задачи трех тел». Эта проблема состоит в том, чтобы определить начальные положения и скорости трех массивных объектов (поскольку они расширены, чтобы включать частицы) и решить их последующее движение в соответствии с тремя законами движения Ньютона и его теорией всемирного тяготения, для которых нет общего решения. Как добавил доктор Малхотра:
|
|
|
|
«В конце 1980-х годов, с появлением более мощных компьютеров, численное моделирование выявило третье своеобразное свойство, состоящее в том, что орбита Плутона технически хаотична, то есть небольшие отклонения начальных условий приводят к экспоненциальному расхождению орбитальных решений на протяжении десятков миллионов лет. Однако этот хаос ограничен. В ходе численного моделирования было обнаружено, что два упомянутых выше особых свойства орбиты Плутона сохраняются в течение гигалетних временных масштабов, что делает его орбиту удивительно стабильной, несмотря на индикаторы хаоса».
|
|
|
|
Для своего исследования Малхотра и Ито провели численное моделирование орбиты Плутона на срок до пяти миллиардов лет в будущее Солнечной системы. В частности, они надеялись ответить на нерешенные вопросы об особых орбитах Плутона и других объектов размером с Плутон (также известных как Плутино). Эти вопросы были рассмотрены в исследованиях, проводившихся в течение последних нескольких десятилетий, таких как «теория миграции планет», но они касались лишь определенного момента. В частности, они надеялись ответить на нерешенные вопросы об особых орбитах Плутона и других объектов размером с Плутон (также известных как Плутино). В последние несколько десятилетий астрономы пытались ответить на эти вопросы с помощью новых теорий (таких как «теория миграции планет»), но безуспешно.
|
|
|
|
Согласно этой гипотезе, Плутон был втянут в свой нынешний резонанс среднего движения Нептуном, который мигрировал во время ранней истории Солнечной системы. Основное предсказание этой теории состоит в том, что другие транснептуновые объекты (ТНО) будут иметь такое же условие резонанса, которое с тех пор было подтверждено открытием большого количества Плутино. Это открытие также привело к более широкому признанию теории миграции планет. Но, как объяснил доктор Малхотра:
|
|
|
|
«Наклонение орбиты Плутона тесно связано с его колебанием vZLK. Поэтому мы решили, что если бы мы могли лучше понять условия для колебания vZLK Плутона, возможно, мы смогли бы разгадать тайну его наклона. Мы начали с изучения индивидуальной роли других планет-гигантов. (Юпитер, Сатурн и Уран) на орбите Плутона». Для этого д-р Малхотра и Ито запустили компьютерное моделирование, в ходе которого они смоделировали орбитальную эволюцию Плутона на срок до 5 миллиардов лет, включая восемь различных комбинаций возмущений планеты-гиганта. Эти симуляции N тел включали взаимодействие с:
|
|
|
|
- Нептун (—НП)
|
|
- Уран и Нептун (-UNP)
|
|
- Сатурн и Нептун (-S-NP)
|
|
- Юпитер и Нептун (J – NP)
|
|
- Сатурн, Уран и Нептун (-SUNP)
|
|
- Юпитер, Уран и Нептун (J-UNP)
|
|
- Юпитер, Сатурн и Нептун (JS-NP)
|
|
- Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (JSUNP)
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что никакие подмножества внутренних трех планет-гигантов не подходят для восстановления колебаний vZLK Плутона; все три — Юпитер, Сатурн и Уран — были необходимы», — сказал доктор Малхотра. «Но что такого особенного в этих планетах, которые важны для колебаний Плутона vZLK?» — добавил доктор Малхотра. «Для представления гравитационных сил Юпитера, Сатурна и Урана на Плутоне необходим 21 параметр. Это непомерно большое пространство параметров для исследования».
|
|
|
|
Чтобы упростить эти расчеты, д-р Малхотра и Ито объединили их в один параметр, внеся некоторые упрощения. Это включало представление каждой планеты круглым кольцом одинаковой плотности, общей массой, равной массе планеты, и радиусом кольца, равным среднему расстоянию планеты от Солнца (также известной как большая полуось). Как указал д-р Малхотра, это дало единственный параметр, представляющий влияние Юпитера, Сатурна и Урана (J2), что было эквивалентно эффекту «сплюснутого Солнца».
|
|
|
|
«[Мы] обнаружили случайное расположение масс и орбит планет-гигантов, которое очерчивает узкий диапазон параметра J2, в котором возможны колебания Плутона vZLK, своего рода« зону Златовласки », — сказала она. «Этот результат указывает на то, что в эпоху миграции планет в истории [] Солнечной системы условия для транснептуновых объектов изменились таким образом, что многие из них, включая Плутон, перешли в состояние колебаний vZLK. что наклонность Плутона возникла во время этой динамической эволюции».
|
|
|
|
Эти результаты, вероятно, будут иметь важное значение для будущих исследований внешней Солнечной системы и ее орбитальной динамики. Доктор Малхотра полагает, что при дальнейшем изучении астрономы узнают больше об истории миграции планет-гигантов и о том, как они в конечном итоге заняли свои нынешние орбиты. Это также может привести к открытию нового динамического механизма, который объяснит происхождение орбиты Плутона и других тел с большим наклонением орбиты.
|
|
|
|
Это будет особенно полезно астрономам, занимающимся изучением динамики Солнечной системы. Как заметил д-р Мальхорта, исследователи в этой области начали подозревать, что доказательства, которые могли бы пролить свет на орбитальную эволюцию Плутона, могли быть стерты нестабильностью и хаотичной природой той самой орбитальной механики. Как подытожил д-р Малхотра:
|
|
|
|
«Я думаю, что наша работа порождает новую надежду на установление связи между современной динамикой Солнечной системы и исторической динамикой Солнечной системы. наша работа будет стимулировать больше внимания к нему. «Еще один момент, который подчеркивает наше исследование, — это ценность простых (r) приближений для сложной задачи: т. е. объединение 21 параметра в один параметр открыло дверь для доступа к основным динамическим механизмам, влияющим на очень интересные, но трудные для понимания орбитальная динамика Плутона и Плутинос».
|
|
|
|
Источник
|
