Global bågliknande struktur av rymdförgreningar i solsystemet. Kortsiktiga FLI-kartor över området mellan ytterkanten av det huvudsakliga asteroidbältet vid 3 AU till strax bortom Uranus semimajoraxel vid 20 AU, för alla elliptiska excentriciteter, anta en dynamisk modell i ORBIT9 som innehåller de sju stora planeterna (från Venus till Neptunus) som störande (överst) eller Jupiter som den enda störande (nederst). Banor som ligger på stabila grenrör visas med en ljusare färg, medan mörkare områden motsvarar banor utanför dem. Tre uppsättningar av dynamiska gränskurvor är överlagrade på kartan i den nedre panelen motsvarande perihelion (qj) och aphelion (Qj) linjerna för Jupiter (tunna, grön), konturen av Jupiter Tisserand parameter Tj =3 som dikotomiserar asteroider och kometer (tjock, gul), och de stabila grenrören L1 (WsL1) och L2 (WsL2) (prickade, vit). Kartan samplar mer än 2 miljoner initiala värden av (a, e), där den initiala lutningen i, argument för perihelion ω, och longituden för stigande nod Ω är inställda lika med Jupiters vid den initiala epoken den 30 september 2012. Den initiala medelanomalien för TP:erna är satt till 60° före Jupiter i dess omloppsbana för att återspegla den "grekiska" L4-konfigurationen. a, halvstor axel; e, excentricitet. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abd1313
Rymdens samlingsrör bildar gränserna för dynamiska kanaler för att ge snabb transport till solsystemets innersta och yttersta delar. Sådana funktioner är ett viktigt inslag i rymdskeppsnavigering och uppdragsdesign, ger ett fönster till kometernas till synes oberäkneliga natur och deras banor. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Nataša Todorović och ett team av forskare i Serbien och USA avslöjade en anmärkningsvärd och oväntad prydnadsstruktur av grenrör i solsystemet. Denna arkitektur var sammankopplad i en serie valv som spred sig från asteroidbältet till Uranus och vidare. De starkaste grenrören hittades kopplade till Jupiter med djupgående kontroll på små kroppar över ett brett och tidigare okänt spektrum av trekroppsenergier. Banorna för dessa grenrör mötte Jupiter på snabba tidsskalor för att förvandlas till kollisions- eller flyktbanor för att nå Neptunus avstånd bara inom ett decennium. På det här sättet, ungefär som en himmelsk motorväg, alla planeter genererar liknande grenrör över solsystemet för snabb transport överallt.
Navigerar kaos i solsystemet
I det här arbetet, Todorović et al. använd snabb Lyapunov-indikator (FLI); en dynamisk storhet som används för att upptäcka kaos, för att upptäcka närvaron och den globala strukturen hos rymdförgreningar. De fångade instabiliteterna som verkar på omloppsskalor med det känsliga och väletablerade numeriska verktyget för att definiera områden med snabb transport i solsystemet. Kaos i solsystemet är oupplösligt kopplat till stabiliteten eller instabiliteten hos grenrör som bildar invecklade strukturer vars ömsesidiga interaktion kan möjliggöra kaotisk transport. De allmänna egenskaperna kan beskrivas i förhållande till det plana, cirkulärt och begränsat trekroppsproblem (PCR3BP) som närmar sig rörelsen hos naturliga och artificiella himlakroppar. Även om detta koncept är långt ifrån att förstås fullt ut, moderna geometriska insikter har revolutionerat rymdfarkosters designbanor och hjälpt till att bygga nya rymdbaserade astronomiska observatorier för att förändra vår förståelse av kosmos.
Dynamiken i rymdförgreningar som möjliggör en storslagen rundtur i solsystemet via ett interplanetärt transportnätverk har också bidragit till transitmekanismerna för kometerna från Jupiterfamiljen (JFC). JFC är de evolutionära produkterna av trans-neptuniska objekt som fortsätter att utvecklas genom den gigantiska planetregionen som kentaurer och in i det inre solsystemet. Komet- och asteroidkroppar som upptar omloppsbanor i området mellan Jupiter och Neptunus och kentaurerna är dynamiska och instabila med livstider på bara några miljoner år. Astrofysiker använder vanligtvis mycket olika tidsskalor för att modellera detaljerade dynamiska vägar som förbinder olika tidszoner i det yttre solsystemet.
En finare bild av grenrören med kolliderande och flyende föremål längs med dem. En mycket löst, 1500 × 1500 punkter, Jovian-minimiavståndskarta koncentrerad nära den största V-formade kaotiska strukturen, gjord med Mercurius med ett integratortidssteg på 0,01 (motsvarande cirka en halv dag). På kartan finns en finare bild av grenrören, där vi märker små understrukturer som sveper sig runt de viktigaste. Överlagrade på stabilitetskartan är de banor som kolliderar med Jupiter (gröna prickar) och alla flyktbanor (rosa prickar), vars dynamiska övergångar från elliptisk till hyperbolisk har validerats ytterligare genom att signifikant öka toleransen inom Mercurius (med en stegstorlek på 1 min). Exempel på evolutionära tillstånd för fyra initiala tillstånd (röda stjärnor) belägna på strukturerna visas i kartesiska koordinater i bildtexterna, där Jupiters heliocentriska omloppsbana också visas som referens (grå). Den specifika flyktbanan i det övre högra hörnet undersöktes ytterligare med den mer realistiska modellen med sju planeter, fann att den verkligen når mer än 100 AU på mindre än ett sekel i sin ogränsade utveckling. Animationer av kollisions- och flyktbanor ges. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
Todorović et al. betraktade den kortsiktiga (100-åriga) utvecklingen av masslösa testpartiklar (TP) som ligger på orbitaler mellan det huvudsakliga asteroidbältet och Uranus. De presenterade data i dynamiska kartor baserade på två allmänt använda orbit-integreringspaket ORBIT9 och REBOUND samtidigt som de utvecklade en kraftmodell som innehåller sju stora planeter från Venus till Neptunus som störningar tillsammans med sol/Jupiter/testpartikel trekroppssystemet. Samorbitala asteroider kända som "greker" och "trojaner" följde samma omloppsbana som Jupiter men ledde eller följde planeten med ett vinkelavstånd.
Teamet beräknade FLI (snabb Lyapunov-indikator) över 100 år för ett stort rutnät, där ljusare områden representerade banor belägna på stabila grenrör och mörkare områden representerade de borta från dem. Forskarna noterade en uppkomst av en stor "V-formad" kaotisk struktur kopplad till en serie bågar på ökande heliocentriska avstånd och nästan efter Jupiters Perihelion linje. De stabila grenrören ledde till kaotisk rörelse på grund av komplexa interaktioner med motsvarande instabila grenrör. Dessa grenrör var analytiskt mycket komplexa. Vidare, som förväntat, Jupiter var den dominerande störaren i systemet och ansvarig för majoriteten av den rika kaotiska arkitekturen – spårad ända bortom Neptunus.
Globalt utseende av rymdförgreningar i ett sekels jovianska minidistanskartor beräknade över ungefär tio omloppsvarv av Jupiter med varje bildruta i animationen som visar hur bågarna och den folierade understrukturen manifesterar sig under treåriga steg. Varje karta samplar fyra miljoner initiala värden av halvstor axel och excentricitet, där den ursprungliga lutningen, argument om perihelion, och longituden för TPs stigande nod är satt lika med Jupiters vid den initiala epoken den 30 september 2012. Den initiala medelanomalien för TPs är satt till 60° före Jupiter i dess omloppsbana för att återspegla den grekiska L4-konfigurationen. Två konturer av Sun-Jupiter-TP trekroppsenergi är överlagrade, med -1,5194 motsvarande värdet på L1 Lagrange-punkten. Kartan täcker den inre kanten av det huvudsakliga asteroidbältet vid 2 AU till strax bortom Uranus halvstora axel vid 20 AU. Mercurius-paketet inom REBOUND användes under Sun-Jupiter-TP trekroppsmodellen. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
För att förstå dynamiken i fysik med många och nära möten i systemet, Todorović et al. använde mjukvarupaket för att exakt spåra utvecklingen genom nära ansatser med Jupiter. Använda jovianska minimiavståndskartor för de grekiska och trojanska orbitalkonfigurationerna, teamet visade hur alla banor längs de kaotiska strukturerna kom in i Jupiter's Hill-sfären under evolutionens gång. För att förstå dynamiken i nära möten, laget undersökte Lagrange-jämviktspunkter (L 1 och jag 2 ), som definierar positioner i rymden där tyngdkraften av två stora massor exakt motsvarade den centripetalkraft som krävs för att ett litet föremål ska kunna röra sig med dem. Alla nära mötesbanor besökte grannskapet till antingen L 1 eller L 2 Lagrange punkter, kastar ljus på den dåligt förstådda grekisk-trojanska dikotomien av rymda trojanska asteroider från Jupiter.
Små kroppar placerade på grenrör som leder till snabb kollision med Jupiter Heliocentrisk-ekliptisk tröghetsramutveckling av de 31 kolliderande TP:erna. Den snabbaste kollisionen inträffade på drygt sju år och den genomsnittliga kollisionstiden var cirka 36 år. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abd1313
Bland testpartiklarna (TP) som närmar sig Jupiter, några dussin direkt kolliderade och deras jovicentriska avstånd blev mindre än Jupiters radie. Nästan 2000 TP:er övergick från bundna elliptiska banor till obundna hyperboliska flyktbanor som ett resultat av många inducerade möten. Övergångsbanorna nådde sedan Uranus och Neptunus inom 38 och 46 år; de snabbaste testpartiklarna anlände till den Neptuniska regionen under ett decennium. Spridning eller kollision med Jupiter var åtminstone flera storleksordningar kortare än de som tidigare rapporterats. Todorović et al. nästa observerade kometens 39P/Otermas väg baserat på tidigare arbete utfört för mer än två decennier sedan, där kometen på nära håll följde de oföränderliga mångfaldiga strukturerna associerade med L 1 och jag 2 . Arbetet visade hur de oföränderliga grenrören var den sanna omloppsporten som verkade påverka banorna med låg lutning närmare Lagrange-punkterna på yttre planeter.
Små kroppar placerade på grenrör som leder till snabb flykt från solsystemet Heliocentrisk-ekliptisk tröghetsramutveckling av en undergrupp av 38 flyende TP:er. Dessa elliptiska-till-hyperboliska övergångsbanor når avstånden till Uranus och Neptunus på ungefär 38 och 44 år i genomsnitt, respektive, och 63% av dem sparkas till 100 AU under loppet av ett sekel. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
På det här sättet, Nataša Todorović och kollegor rapporterade grenrör som verkar över omloppstider på flera decennier i detta arbete, i motsats till de tiotusentals till tusentals miljoner orbitala varv som traditionellt anses. Ytterligare information genom kvantitativa studier kommer att ge djupare insikter i transporten mellan de två bälten av mindre kroppar och den terrestra planetregionen. Teamet förväntar sig att kombinera dessa observationer med teori och simuleringar för att förbättra den befintliga förståelsen av himmelsk transport. Den observerade effekten av Jupiter-inducerad, storskaliga transporter på en decadal tidsskala är ingen överraskning, eftersom rymduppdrag historiskt har utformats för Jupiter-assisterad transport, inklusive förbiflygningar av Voyager 1 och Voyager 2.
© 2020 Science X Network
