Τροχιακές συγχρονικότητες στο ηλιακό σύστημα
Εκατοντάδες χιλιάδες αστεροειδείς περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο μας με διαφορετικές περιόδους τροχιάς ανάλογα με τη μέση απόστασή τους από τον Ήλιο, ή τον ημικύριο άξονα. Όλοι τους διαταράσσονται βαρυτικά από τον τεράστιο πλανήτη Δία.
Οι σωρευτικές διαταραχές του Δία και, σε μικρότερο βαθμό, άλλων πλανητών, δημιουργούν μια αργή τροχιακή εξέλιξη. Μερικές φορές οι τροχιακές περίοδοι των αστεροειδών βρίσκονται σε μια απλή κλασματική σχέση με την τροχιακή περίοδο του Δία. Σε αυτή την περίπτωση, αυτή η συγχρονικότητα συσσωρεύει μια ισχυρή τροχιακή διαταραχή μακροπρόθεσμα που δημιουργεί μια περίεργη τροχιακή εξέλιξη. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως τροχιακός συντονισμός.
Οι πρώτες ενδείξεις τροχιακών συντονισμών στον πληθυσμό των αστεροειδών λήφθηκαν από τον Kirkwood το 1866. Βρήκε εμφανή κενά στην κατανομή των ημικυριότερων αξόνων των αστεροειδών ακριβώς εκεί όπου οι τροχιακές περίοδοι σχετίζονταν απλώς με την τροχιακή περίοδο του Δία. Για παράδειγμα, υπάρχει ένα κενό στις 2,5 αστρονομικές μονάδες (au) από τον Ήλιο όπου η αντίστοιχη περίοδος τροχιάς είναι το 1/3 της τροχιακής περιόδου του Δία. Στη σύγχρονη γλώσσα, αναφερόμαστε σε αυτή την κατάσταση ως συντονισμό 3:1 με τον Δία. Γνωρίζουμε τώρα ότι αυτό το κενό οφείλεται σε μια ισχυρή δυναμική αστάθεια που εμφανίζεται μέσα σε αυτήν την συντονισμένη κίνηση αλλά όχι έξω από αυτήν. Στη δεκαετία του '90, άρχισε να ανακαλύπτεται ένας μεγάλος πληθυσμός δια-Ποσειδώνιων αντικειμένων και καθώς οι ανακαλύψεις αύξησαν ένα αναλογικό μοτίβο συντονισμών, με τον Ποσειδώνα να γίνεται εμφανής στην περιοχή του Ποσειδώνα.
Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι προσπαθούσαν να κατανοήσουν αυτόν τον δυναμικό μηχανισμό που όχι μόνο δημιουργεί κενά στον πληθυσμό των αντικειμένων αλλά και συγκεντρώσεις. Για παράδειγμα, το Hildas είναι μια συγκέντρωση περίπου 4500 αστεροειδών που εξελίσσονται εντός του συντονισμού 3:2 με τον Δία, που σημαίνει ότι η τροχιακή τους περίοδος είναι τα 2/3 της τροχιακής περιόδου του Δία. Κατ' αναλογία, υπάρχει ένας σταθερός πληθυσμός αντικειμένων που συγκεντρώνονται στον εξωτερικό συντονισμό 2:3 με τον Ποσειδώνα. Ο Πλούτωνας είναι το πιο δημοφιλές αντικείμενο αυτού του πληθυσμού που έχει τροχιακή περίοδο 3/2 φορές την τροχιακή περίοδο του Ποσειδώνα.
Ο άλλος πολύ σχετικός πληθυσμός συντονισμένων αντικειμένων είναι οι Τρώες του Δία, που αποτελούνται από περίπου 5500 αντικείμενα που βρίσκονται σε συντονισμό 1:1, που σημαίνει ότι μοιράζονται την ίδια τροχιακή περίοδο του Δία. Επί του παρόντος, γνωρίζουμε για αντικείμενα που εξελίσσονται σε συντονισμούς με όλους σχεδόν τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος. Η σταθερότητα της συντονιστικής κίνησης ορίζεται από τα μακροπρόθεσμα φαινόμενα που συμβαίνουν μέσα σε κάθε συντονισμό και είναι διαφορετικά για κάθε συντονισμό. Για παράδειγμα, μέσα στον συντονισμό 3:1 με τον Δία, η μακροπρόθεσμη δυναμική διεγείρει την εκκεντρότητα σχεδόν στο 1, μετατρέποντας τον αστεροειδή σε ένα βλήμα που θα συγκρουστεί με άλλους πλανήτες ή με τον Ήλιο.
Γιατί εμφανίζονται μερικοί συντονισμοί, αλλά για άλλους δεν υπάρχουν δυναμικά ίχνη; Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι κάθε συντονισμός έχει μια σχετική «ισχύ»:οι ισχυροί συντονισμοί δημιουργούν ισχυρά δυναμικά φαινόμενα (κενά ή συγκεντρώσεις) και καλύπτουν μεγαλύτερες περιοχές στο χώρο του ημιμείζονος άξονα. Οι ασθενείς συντονισμοί δεν δημιουργούν αξιοσημείωτες τροχιακές εξελίξεις και λειτουργούν σε μια πολύ περιορισμένη περιοχή στο χώρο του ημιμείζονος άξονα. Για παράδειγμα, ο ισχυρός συντονισμός 3:1 με τον Δία επηρεάζει όλους τους αστεροειδείς με ημικύριο άξονα μεταξύ 2,44 και 2,56 au, ενώ ο ασθενής συντονισμός 1:2 με τον Άρη επηρεάζει μόνο τους αστεροειδείς με τον ημικύριο άξονα μεταξύ 2,417 και 2,419 au.
Οι αναλυτικές θεωρίες επέτρεψαν μια πολύ πλήρη περιγραφή των συντονισμών, αλλά υπό τον περιορισμό των σχεδόν ομοεπίπεδων τροχιών για τον εξεταζόμενο πλανήτη και το μικρό σώμα. Αυτές οι θεωρίες έδειξαν ότι η ισχύς του συντονισμού είναι ανάλογη με τη μάζα του πλανήτη που δημιουργεί τον συντονισμό και επίσης ανάλογη με την τροχιακή εκκεντρότητα του συντονισμένου μικρού σώματος. Αυτό σημαίνει ότι για μεγαλύτερες τροχιακές εκκεντρότητες οι συντονισμοί είναι ευρύτεροι στον ημικύριο άξονα. Για αρκετά μεγάλες εκκεντρότητες, οι συντονισμοί είναι τόσο ευρείες που επικαλύπτονται αποτελώντας μια συνέχεια συντονισμών, δημιουργώντας μια χαοτική συμπεριφορά.
Αλλά, τι συμβαίνει όταν ο αστεροειδής έχει κάποια τροχιακή κλίση; Υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις μικρών σωμάτων με μεγάλες κλίσεις, μεγαλύτερες από 60 μοίρες, για παράδειγμα. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι υπάρχουν εκατοντάδες αντικείμενα με τόσο μεγάλη κλίση που, στην πραγματικότητα, οι κατευθύνσεις περιστροφής τους γύρω από τον ήλιο είναι αντίθετες με την κατεύθυνση περιστροφής των πλανητών. Τα ονομάζουμε ανάδρομα αντικείμενα και έχουν τροχιακή κλίση μεταξύ 90 και 180 μοιρών.
Τι συμβαίνει με την κίνηση συντονισμού όταν η τροχιακή κλίση είναι μεγάλη ή ανάδρομη; Έχει νόημα να σκεφτόμαστε συντονισμούς για ανάδρομες τροχιές; Δεν έχουν παρουσιαστεί μέχρι τώρα ικανοποιητικές θεωρίες για αυτές τις πολύ κεκλιμένες τροχιές, επειδή η πολυπλοκότητα της άλγεβρας που εμπλέκεται δεν μας επιτρέπει να βρούμε απλές απαντήσεις. Σαφείς ενδείξεις της συνάφειας των ανάδρομων συντονισμών προήλθαν από την αριθμητική εξερεύνηση της δυναμικής εξέλιξης των κομητών. Σε αριθμητικές ενσωματώσεις κομητών που δείχνουν την πιθανή μελλοντική τους εξέλιξη σε χρονικές κλίμακες εκατομμυρίων ετών, διαπιστώθηκε ότι, συχνά, συλλαμβάνονται σε ανάδρομους συντονισμούς, ειδικά σε συντονισμούς εξωτερικούς πλανήτη του τύπου 1:N, που σημαίνει 1:2, 1:3 και ούτω καθεξής.
Μια εκπληκτική ανακάλυψη απεικονίζει το σκηνικό της συνάφειας των ανάδρομων συντονισμών:το 2015, το αντικείμενο 2015 BZ509 βρέθηκε να είναι συντροχιακό με τον Δία (συντονισμός 1:1) αλλά με τροχιακή κλίση 163 μοιρών, που σημαίνει ότι περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο αντίθετα με την τροχιακή κατεύθυνση του Δία. Δεν συγκρούονται επειδή η τροχιά του αστεροειδούς έχει κάποια εκκεντρικότητα και είναι συγχρονισμένα, αποφεύγοντας καταστροφικές συναντήσεις.
Μια προσέγγιση στη μελέτη των τροχιών συντονισμού υψηλής κλίσης προτάθηκε από τον Gallardo (2019, Icarus). Η ιδέα είναι να υπολογιστούν αριθμητικά οι συντονισμένες διαταραχές υποθέτοντας ότι το αντικείμενο και ο πλανήτης έχουν σταθερές τροχιές. Η μέθοδος είναι πολύ αποτελεσματική στο να παρέχει ισχύ για χιλιάδες πιθανούς συντονισμούς μέσα σε λίγα λεπτά χρησιμοποιώντας έναν τυπικό υπολογιστή. Ισχύει επίσης αυστηρά για αυθαίρετες τροχιακές εκκεντρότητες και κλίσεις. Το κύριο αποτέλεσμα που προκύπτει από την εξερεύνηση των συντονισμών χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο είναι ότι για τροχιές υψηλής κλίσης ή ανάδρομης τροχιάς, όλοι οι συντονισμοί σε κάποιο σημείο γίνονται αδύναμοι και μπορούν να διακόψουν την συντονιστική κίνηση, εκτός από τους συντονισμούς τύπου 1:N, συμπεριλαμβανομένου του συντονισμού 1:1 , για τα οποία η δύναμή τους είναι πάντα μεγάλη, επομένως σε χρονικές κλίμακες εκατομμυρίων ετών γίνονται δεξαμενές συντονισμένων ανάδρομων αντικειμένων.
Τα τελευταία χρόνια έγινε φανερό ότι στα εξωηλιακά συστήματα, στη ζώνη των αστεροειδών και σε ορισμένα δορυφορικά συστήματα, υπάρχει ένας άλλος τύπος τροχιακής συγχρονικότητας:τρεις συντονισμοί σώματος (3BRs). Η πρώτη τεκμηριωμένη περίπτωση ενός 3BR οφειλόταν στον Laplace και περιλαμβάνει την τροχιακή κίνηση των δορυφόρων του Δία Io, Europa και Ganymede. Η τροχιακή περίοδος του Γανυμήδη είναι ακριβώς διπλάσια από την τροχιακή περίοδο της Ευρώπης και η τροχιακή περίοδος της Ευρώπης είναι ακριβώς διπλάσια από την τροχιακή περίοδο της Ιώ.
Αυτός ο τύπος 3BR μπορεί να θεωρηθεί ως υπέρθεση συντονισμών δύο σωμάτων (2BRs) ή μια «αλυσίδα» 2BRs. Οι αλυσίδες των 2BRs παρατηρούνται ιδιαίτερα σε εξωηλιακά συστήματα και μπορούν να εξηγηθούν από συλλήψεις σε συντονισμό που δημιουργείται από τη μετανάστευση που βιώνουν οι πλανήτες στα τελευταία βήματα του πλανητικού σχηματισμού. Στην πραγματικότητα, το πλανητικό μας σύστημα είναι πολύ κοντά σε αλυσίδες τροχιακών συντονισμών. Αλλά υπάρχει ένας άλλος τύπος 3BR που δεν περιλαμβάνει 2BR και εμφανίζεται όταν η τροχιακή περίοδος ενός αστεροειδούς μπορεί να εκφραστεί ως ένας γραμμικός συνδυασμός των περιόδων τροχιάς δύο αυθαίρετων, όχι αμοιβαία συντονισμένων, πλανητών. Αναζητώντας αυτού του είδους τα «καθαρά» 3BR, οι Smirnov et al. (2018, Ίκαρος) βρήκε δεκάδες χιλιάδες αστεροειδείς να εξελίσσονται μέσα σε 3BRs με δύο πλανήτες, κυρίως το ζεύγος Δία-Κρόνος.
Τρεις συντονισμοί σώματος είναι πολύ αδύναμοι και καλύπτουν πολύ λεπτές περιοχές στον ημικύριο άξονα, περίπου 0,001 au ή λιγότερο. Ωστόσο, είναι πολυάριθμοι και δημιουργούν μεγάλες συσσωρεύσεις αστεροειδών που παγιδεύονται παροδικά σε συντονιστική κίνηση. Αυτό μπορεί να φανεί αν σχεδιάσουμε ένα ιστόγραμμα των ημικυριότερων αξόνων του γνωστού πληθυσμού αστεροειδών.
Οι τροχιακοί συντονισμοί δεν είναι μια εξωτική μαθηματική ιδιομορφία. έχουν ένα σαφές φυσικό νόημα και ένα αδιαμφισβήτητο δυναμικό αποτέλεσμα:εξηγούν την τροχιακή αρχιτεκτονική των εξωπλανητών συστημάτων και σμιλεύουν την κατανομή των δευτερευόντων σωμάτων στο Ηλιακό μας Σύστημα δημιουργώντας κενά και δεξαμενές.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Resonances in the asteroid and trans-Neptunian belt:A brief review, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Planetary and Space Science. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Tabaré Gallardo από το Instituto de Física, Facultad de Ciencias.
Έλεγχος:
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063317304178
Αναφορές:
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103518300423
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103517300386
Ιστότοπος:
- http://www.fisica.edu.uy/~gallardo/atlas/
