Юпитер троян - Jupiter trojan

В астероидах по внутренней части Солнечной системы и Юпитер
  Трояны Юпитера
  Астероиды Хильды
  Пояс астероидов
  Орбиты из планет
Троянские программы Юпитера делятся на две группы: греческий лагерь перед и троянский лагерь позади Юпитера на своей орбите.

В троянах Юпитера , обычно называемые троянские астероиды или просто трояны , являются большой группой астероидов , которые разделяют планеты Юпитера «сек орбиты вокруг Солнца . Относительно Юпитера каждый троян либрирует вокруг одной из устойчивых точек Лагранжа Юпитера : либо L 4 , находящегося на 60 ° впереди планеты по ее орбите, либо L 5 , 60 ° позади нее . Трояны Юпитера распределены в двух удлиненных изогнутых областях вокруг этих лагранжевых точек со средней большой полуосью около 5,2 а.е.

Первый обнаруженный троян Юпитера, 588 Achilles , был замечен в 1906 году немецким астрономом Максом Вольфом . По состоянию на май 2021 года было обнаружено более 9800 троянских программ Юпитера. По соглашению, каждый из них назван в греческой мифологии в честь персонажа Троянской войны , отсюда и название «троян». Считается, что общее количество троянцев Юпитера диаметром более 1 км составляет около 1 миллиона , что примерно равно количеству астероидов размером более 1 км в поясе астероидов . Подобно астероидам главного пояса, трояны Юпитера образуют семьи .

По состоянию на 2004 год многие троянские программы Юпитера показывались инструментам для наблюдений в виде темных тел с красноватым безликим спектром . Не было получено никаких убедительных доказательств присутствия воды или какого-либо другого специфического соединения на их поверхности, но считается, что они покрыты толинами , органическими полимерами, образованными солнечным излучением. Плотность троянских объектов Юпитера (измеренная путем изучения двойных звезд или вращательных кривых блеска) варьируется от 0,8 до 2,5 г · см −3 . Считается, что трояны Юпитера попали на свои орбиты на ранних этапах формирования Солнечной системы или немного позже, во время миграции планет-гигантов.

Термин «троянский астероид» конкретно относится к астероидам, находящимся на орбитальной орбите с Юпитером, но общий термин « троян » иногда более широко применяется к другим малым телам Солнечной системы, имеющим сходные отношения с более крупными телами: например, существуют оба марсианских трояна. и трояны Neptune , а также недавно обнаруженный троян с Земли . Термин «троянский астероид» обычно понимается специально для обозначения троянских программ Юпитера, потому что первые троянские программы были обнаружены вблизи орбиты Юпитера, а на Юпитере в настоящее время находятся, безусловно, самые известные троянские программы.

История наблюдений

Максимилиан Франц Иосиф Корнелиус Вольф (1890) - первооткрыватель первого трояна.

В 1772 году математик итальянского происхождения Жозеф-Луи Лагранж , изучая ограниченную задачу трех тел , предсказал, что небольшое тело, находящееся на одной орбите с планетой, но лежащее на 60 ° вперед или назад, окажется в ловушке около этих точек. Захваченное тело будет медленно либрировать вокруг точки равновесия на орбите головастика или подковы . Эти начальные и конечные точки называются точками Лагранжа L 4 и L 5 . Первые астероиды, захваченные в точках Лагранжа, наблюдались более чем через столетие после гипотезы Лагранжа. Связанные с Юпитером были открыты первыми.

Барнард сделал первое зарегистрированное наблюдение трояна (12126) 1999 RM 11 (в то время идентифицированного как A904 RD) в 1904 году, но ни он, ни другие не оценили его значимость в то время. Барнард считал, что видел недавно обнаруженный спутник Сатурна Фиби , который в то время находился в небе всего в двух угловых минутах , или, возможно, астероид. Идентичность объекта не была понята до тех пор, пока в 1999 году не была рассчитана его орбита.

Первое признанное открытие трояна произошло в феврале 1906 года, когда астроном Макс Вольф из Государственной обсерватории Гейдельберг-Кенигштуль обнаружил астероид в лагранжевой точке L 4 системы Солнце - Юпитер , позже названный 588 Ахиллесом . В 1906–1907 годах немецким астрономом Августом Копфом были обнаружены еще два юпитерских трояна ( 624 Гектор и 617 Патрокл ). Гектор, как и Ахиллес, принадлежал к рой L 4 («впереди» планеты на ее орбите), тогда как Патрокл был первым астероидом, который, как известно, находился в лагранжевой точке L 5 («позади» планеты). К 1938 году было обнаружено 11 троянцев Юпитера. Это число увеличилось до 14 только в 1961 году. По мере совершенствования инструментов скорость открытия быстро росла: к январю 2000 года было открыто 257 экземпляров; к маю 2003 года их число выросло до 1600. По состоянию на октябрь 2018 года существует 4601 известный троян Юпитера на L 4 и 2439 на L 5 .

Номенклатура

Обычай называть все астероиды в точках L 4 и L 5 Юпитера именами знаменитых героев Троянской войны предложил Иоганн Палиса из Вены , который первым точно рассчитал их орбиты.

Астероиды на ведущей (L 4 ) орбите названы в честь греческих героев («греческий узел или лагерь» или « группа Ахилла »), а астероиды на задней (L 5 ) орбите названы в честь героев Трои («троян узел или лагерь »). Астероиды 617 Патрокл и 624 Гектор были названы до того, как было изобретено правило Греции / Трои, в результате чего в троянском узле появился «греческий шпион» Патрокл , а в греческом узле - «троянский шпион» Гектор .

Числа и масса

Гравитационный потенциал контурный график , показывающий Земли лагранжевых точек; L 4 и L 5 находятся над и под планетой соответственно. Точки Лагранжа Юпитера аналогичным образом расположены на его гораздо большей орбите.

Оценки общего количества троянов Юпитера основаны на глубоких исследованиях ограниченных участков неба. Считается, что рой L 4 состоит из 160 000–240 000 астероидов диаметром более 2 км и около 600 000 астероидов диаметром более 1 км. Если рой L 5 содержит сопоставимое количество объектов, существует более 1 миллиона троянцев Юпитера размером 1 км или больше. Для объектов ярче, чем абсолютная величина 9.0, популяция, вероятно, полная. Эти числа аналогичны числам сопоставимых астероидов в поясе астероидов. Общая масса троянцев Юпитера оценивается в 0,0001 массы Земли или одной пятой массы пояса астероидов.

Еще два недавних исследования показывают, что приведенные выше цифры могут в несколько раз завышать количество троянов Юпитера. Эта завышенная оценка вызвана (1) предположением, что все трояны Юпитера имеют низкое альбедо около 0,04, тогда как маленькие тела могут иметь среднее альбедо до 0,12; (2) неверное предположение о распределении троянцев Юпитера в небе. По новым оценкам, общее количество троянцев Юпитера диаметром более 2 км составляет 6300 ± 1000 и 3400 ± 500 в роях L4 и L5 соответственно. Эти цифры будут уменьшены в 2 раза, если маленькие трояны Юпитера будут более отражающими, чем большие.

Количество троянцев Юпитера, наблюдаемых в рое L 4, немного больше, чем в L 5 . Поскольку самые яркие трояны Юпитера показывают небольшие различия в количестве между двумя популяциями, это несоответствие, вероятно, связано с ошибкой наблюдений. Некоторые модели показывают, что рой L 4 может быть немного более стабильным, чем рой L 5 .

Самый крупный троян Юпитера - 624 Hektor , средний диаметр которого составляет 203 ± 3,6 км. По сравнению с населением в целом, существует несколько крупных троянцев Юпитера. С уменьшением размера количество троянцев Юпитера очень быстро растет до 84 км, что намного больше, чем в поясе астероидов. Диаметр 84 км соответствует абсолютной величине 9,5 при альбедо 0,04. В диапазоне 4,4–40 км распределение размеров троянцев Юпитера напоминает распределение астероидов главного пояса. О массах более мелких троянцев Юпитера ничего не известно. Распределение размеров предполагает, что более мелкие трояны могут быть продуктом столкновений более крупных троянов Jupiter.

Самые большие трояны Юпитера
Троян Диаметр (км)
624 Гектор 225
617 Патрокл 140
911 Агамемнон 131
588 Ахиллес 130
3451 Наставник 126
3317 Париж 119
1867 Deiphobus 118
1172 Энеас 118
1437 Диомед 118
1143 Одиссей 115
Источник: База данных малых тел JPL, данные NEOWISE.

Орбиты

Анимация орбиты 624 Гектора (синий), установленной против орбиты Юпитера (внешний красный эллипс)

Трояны Юпитера имеют орбиты с радиусом от 5,05 до 5,35 а.е. (средняя большая полуось составляет 5,2 ± 0,15 а.е.) и распределены по вытянутым изогнутым областям вокруг двух точек Лагранжа; каждый рой простирается примерно на 26 ° по орбите Юпитера, что составляет общее расстояние около 2,5 а.е. Ширина роя приблизительно равна двум радиусам Хилла , что в случае Юпитера составляет около 0,6 а.е. Многие трояны Юпитера имеют большие наклоны орбиты относительно плоскости орбиты Юпитера - до 40 °.

Трояны Юпитера не выдерживают фиксированного отделения от Юпитера. Они медленно перемещаются вокруг своих соответствующих точек равновесия, периодически приближаясь к Юпитеру или удаляясь от него. Трояны Юпитера обычно следуют по траекториям, называемым орбитами головастиков, вокруг точек Лагранжа; средний период их либрации около 150 лет. Амплитуда либрации (по орбите Юпитера) колеблется от 0,6 ° до 88 °, в среднем около 33 °. Моделирование показывает, что трояны Юпитера могут следовать еще более сложным траекториям при перемещении из одной точки Лагранжа в другую - они называются подковообразными орбитами (в настоящее время трояны Юпитера с такой орбитой не известны).

Динамические семейства и двоичные файлы

Выявить динамические семейства в популяции троянских коней Юпитера сложнее, чем в поясе астероидов, потому что трояны Юпитера заблокированы в гораздо более узком диапазоне возможных положений. Это означает, что кластеры имеют тенденцию перекрываться и сливаться с общим роем. К 2003 году было идентифицировано около десятка динамичных семейств. Семейства юпитер-троянцев намного меньше по размеру, чем семейства в поясе астероидов; самая большая идентифицированная семья, группа Менелая, состоит всего из восьми членов.

В 2001 году 617 Патрокл был первым троянцем Юпитера, идентифицированным как двойной астероид . Орбита двойной звезды очень близка, 650 км, по сравнению с 35000 км для сферы Хилла первичной звезды . Самый крупный троян Юпитера - 624 Hektor - вероятно, представляет собой контактную двойную систему с лунным светом.

Физические свойства

Троянец 624 «Гектор» (показан) по яркости похож на карликовую планету Плутон .

Трояны Юпитера - это темные тела неправильной формы. Их геометрическое альбедо обычно колеблется от 3 до 10%. Среднее значение составляет 0,056 ± 0,003 для объектов размером более 57 км и 0,121 ± 0,003 (R-диапазон) для объектов размером менее 25 км. Астероид 4709 Энномос имеет самое высокое альбедо (0,18) из всех известных троянцев Юпитера. Мало что известно о массах, химическом составе, вращении и других физических свойствах троянцев Юпитера.

Вращение

Вращательные свойства троянов Юпитера малоизвестны. Анализ вращательных кривых блеска 72 троянов Юпитера дал средний период вращения около 11,2 часа, тогда как средний период контрольной выборки астероидов в поясе астероидов составил 10,6 часа. Распределение периодов вращения троянов Юпитера оказалось хорошо аппроксимировано функцией Максвелла , тогда как распределение для астероидов главного пояса оказалось немаксвелловским, с дефицитом периодов в диапазоне 8–10 часов. Максвелловское распределение периодов вращения троянов Юпитера может указывать на то, что они претерпели более сильную столкновительную эволюцию по сравнению с поясом астероидов.

В 2008 году команда из Колледжа Кэлвина исследовала кривые блеска образца десяти юпитерских троянцев с дефектом и обнаружила, что средний период вращения составляет 18,9 часа. Это значение было значительно выше, чем для астероидов главного пояса аналогичного размера (11,5 часа). Разница может означать, что трояны Юпитера обладают более низкой средней плотностью, что может означать, что они образовались в поясе Койпера (см. Ниже).

Состав

Спектроскопически трояны Юпитера в основном представляют собой астероиды D-типа , которые преобладают во внешних областях пояса астероидов. Небольшое их количество классифицируется как астероиды P или C-типа . Их спектр красный (это означает, что они отражают больше света на более длинных волнах) или нейтральный и безликий. По состоянию на 2007 год не было получено никаких убедительных доказательств наличия воды, органических веществ или других химических соединений. 4709 Энномос имеет альбедо, немного превышающее среднее значение Юпитер-троян, что может указывать на присутствие водяного льда. Некоторые другие троянцы Юпитера, такие как 911 Агамемнон и 617 Патрокл , показали очень слабое поглощение на 1,7 и 2,3 мкм, что может указывать на присутствие органических веществ. Спектры троянов Юпитера аналогичны спектрам неправильных спутников Юпитера и, в определенной степени, ядер комет , хотя троянские объекты Юпитера спектрально сильно отличаются от более красных объектов пояса Койпера. Спектр трояна Юпитера можно сопоставить со смесью водяного льда, большого количества материала, богатого углеродом ( древесный уголь ), и, возможно, силикатов, богатых магнием . Состав популяции троянцев Юпитера, по-видимому, заметно однороден, с небольшими различиями между двумя роями или без них.

Команда из обсерватории Кека на Гавайях объявила в 2006 году, что она измерила плотность двойного троянца Юпитера 617 Патрокла, как меньшую, чем плотность водяного льда (0,8 г / см 3 ), предполагая, что эта пара и, возможно, многие другие троянцы объекты, которые по составу больше напоминают кометы или объекты пояса Койпера - водяной лед со слоем пыли - чем астероиды главного пояса. Вопреки этому аргументу, плотность Гектора, определенная по его вращательной кривой блеска (2,480 г / см 3 ), значительно выше, чем у 617 Патрокла. Такая разница в плотности говорит о том, что плотность не может быть хорошим индикатором происхождения астероида.

Происхождение и эволюция

Появились две основные теории, объясняющие образование и эволюцию троянов Юпитера. Первый предполагает, что трояны Юпитера сформировались в той же части Солнечной системы, что и Юпитер, и вышли на их орбиты во время ее формирования. Последняя стадия формирования Юпитера включала стремительный рост его массы за счет аккреции большого количества водорода и гелия из протопланетного диска ; во время этого роста, который длился всего около 10 000 лет, масса Юпитера увеличилась в десять раз. В планетезималях , которые имели примерно одинаковые орбиты Юпитер , как были пойманы повышенной гравитацией планеты. Механизм захвата был очень эффективным - было захвачено около 50% всех оставшихся планетезималей. Эта гипотеза имеет две основные проблемы: количество захваченных тел превышает наблюдаемую популяцию троянских коней Юпитера на четыре порядка , а нынешние троянские астероиды Юпитера имеют большие наклоны орбиты, чем предсказывает модель захвата. Моделирование этого сценария показывает, что такой способ формирования также будет препятствовать созданию подобных троянов для Сатурна , и это было подтверждено наблюдениями: на сегодняшний день рядом с Сатурном не было обнаружено никаких троянов. В одном из вариантов этой теории Юпитер захватывает троянов во время своего первоначального роста, а затем мигрирует по мере роста. Во время миграции Юпитера орбиты объектов на подковообразных орбитах искажаются, что приводит к переполнению L4-стороны этих орбит. В результате избыток троянов оказывается в ловушке на стороне L4, когда подковообразные орбиты смещаются на орбиты головастиков по мере роста Юпитера. Эта модель также оставляет троянскую популяцию Юпитера на 3–4 порядка слишком большой.

Вторая теория предполагает, что трояны Юпитера были захвачены во время миграции планет-гигантов, описанных в модели Ниццы . В модели Ниццы орбиты планет-гигантов стали нестабильными через 500–600 миллионов лет после образования Солнечной системы, когда Юпитер и Сатурн пересекли свой резонанс среднего движения 1: 2 . Столкновения между планетами привели к тому, что Уран и Нептун рассеялись наружу в изначальный пояс Койпера , разрушив его и выбросив внутрь миллионы объектов. Когда Юпитер и Сатурн были около своего резонанса 1: 2, орбиты ранее существовавших троянских коней Юпитера стали нестабильными во время вторичного резонанса с Юпитером и Сатурном. Это произошло, когда период либрации троянцев вокруг своей точки Лагранжа имел отношение 3: 1 к периоду, в котором положение, в котором Юпитер проходит мимо Сатурна, циркулировало относительно его перигелия. Этот процесс также был обратимым, позволяя части многочисленных объектов, рассеянных внутрь Ураном и Нептуном, войти в эту область и быть захваченными при разделении орбит Юпитера и Сатурна. Эти новые трояны обладали широким диапазоном склонностей, результатом многократных столкновений с планетами-гигантами до того, как они были захвачены. Этот процесс может также произойти позже, когда Юпитер и Сатурн пересекают более слабые резонансы.

В обновленной версии модели Nice трояны Юпитера фиксируются, когда Юпитер сталкивается с ледяным гигантом во время нестабильности. В этой версии модели Ниццы один из ледяных гигантов (Уран, Нептун или потерянная пятая планета ) рассеивается внутрь на орбиту, пересекающую Юпитер, и рассеивается Юпитером наружу, вызывая быстрое разделение орбит Юпитера и Сатурна. Когда большая полуось Юпитера перескакивает во время этих столкновений, существующие трояны Юпитера могут ускользать, и захватываются новые объекты с большой полуосью, подобными новой большой полуоси Юпитера. После своего последнего столкновения ледяной гигант может пройти через одну из точек либрации и нарушить их орбиты, оставив эту точку либрации истощенной по сравнению с другой. После окончания встреч некоторые из этих троянов Юпитера теряются, а другие захватываются, когда Юпитер и Сатурн находятся вблизи резонансов слабого среднего движения, таких как резонанс 3: 7, через механизм исходной модели Ниццы.

Долгосрочное будущее троянов Юпитера остается под вопросом, потому что множественные слабые резонансы с Юпитером и Сатурном заставляют их вести себя хаотично с течением времени. Коллизионное разрушение медленно истощает троянскую популяцию Юпитера по мере выброса фрагментов. Выброшенные трояны Юпитера могут стать временными спутниками Юпитера или комет семейства Юпитера . Моделирование показывает, что орбиты до 17% троянов Юпитера нестабильны с возрастом Солнечной системы. Левисон и др. считают, что около 200 изгнанных троянцев Юпитера диаметром более 1 км могут путешествовать по Солнечной системе, а некоторые из них могут пересечь Землю по орбитам. Некоторые из сбежавших с Юпитера троянцев могут стать кометами семейства Юпитера, когда они приближаются к Солнцу и их поверхностный лед начинает испаряться.

Исследование

4 января 2017 года НАСА объявило, что Люси была выбрана в качестве одной из двух следующих миссий программы Discovery . Люси собирается исследовать семь троянов Юпитера. Он был запущен 16 октября 2021 года и прибудет к троянскому облаку L 4 в 2027 году после двух гравитационных воздействий на Землю и пролета астероида главного пояса. Затем он вернется к Земле для еще одной гравитационной помощи, чтобы доставить его к троянскому облаку L 5 Юпитера, где он посетит 617 Патрокла.

Японское космическое агентство предложило солнечный парус OKEANOS на конец 2020-х годов для анализа троянского астероида на месте или для выполнения миссии по возврату образцов.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Три другие точки - L 1 , L 2 и L 3 - нестабильны.
  2. ^ Функция Максвелла, где- средний период вращения,- это дисперсия периодов.

использованная литература

внешние ссылки