_2010_SO16_orbit.gif/1280px-Animation_of_(419624)_2010_SO16_orbit.gif)
В небесной механике подковообразная орбита — это тип соорбитального движения малого тела относительно большего тела. Оскулирующий (мгновенный) орбитальный период меньшего тела остается очень близким к периоду большего тела, и если его орбита немного более эксцентрична, чем у большего тела, в течение каждого периода кажется, что он описывает эллипс вокруг точки на орбите большего тела. Однако петля не замкнута, а дрейфует вперед или назад, так что точка, которую он окружает, будет казаться плавно движущейся вдоль орбиты большего тела в течение длительного периода времени. Когда объект приближается к большему телу близко на любом конце своей траектории, его видимое направление меняется. В течение всего цикла центр описывает контур подковы, с большим телом между «рогами».
Астероиды на подковообразных орбитах относительно Земли включают 54509 YORP , 2002 AA 29 , 2010 SO 16 , 2015 SO 2 и, возможно, 2001 GO 2. Более широкое определение включает 3753 Cruithne , который можно назвать находящимся на составной и/или переходной орбите, [1] или (85770) 1998 UP 1 и 2003 YN 107. К 2016 году было обнаружено 12 подковообразных либраторов Земли. [2]
Спутники Сатурна Эпиметей и Янус занимают подковообразные орбиты по отношению друг к другу (в их случае нет повторяющихся петель: каждый из них описывает полную подкову по отношению к другому).
Следующее объяснение относится к астероиду, который находится на такой орбите вокруг Солнца и также подвергается воздействию Земли.
Астероид находится почти на той же солнечной орбите, что и Земля. Оба совершают один оборот вокруг Солнца примерно за год.
Необходимо также усвоить два правила динамики орбиты:
Подковообразная орбита возникает из-за того, что гравитационное притяжение Земли изменяет форму эллиптической орбиты астероида. Изменения формы очень малы, но приводят к значительным изменениям относительно Земли.
Подкова становится заметной только при картировании движения астероида относительно Солнца и Земли. Астероид всегда вращается вокруг Солнца в одном и том же направлении. Однако он проходит цикл догоняния Земли и отставания, так что его движение относительно Солнца и Земли очерчивает форму, похожую на очертания подковы.
Начиная с точки A, на внутреннем кольце между L 5 и Землей, спутник вращается по орбите быстрее Земли и находится на пути к прохождению между Землей и Солнцем. Но гравитация Земли оказывает внешнее ускоряющее усилие, втягивая спутник на более высокую орбиту, которая (согласно третьему закону Кеплера ) уменьшает его угловую скорость.
Когда спутник достигает точки B, он движется с той же скоростью, что и Земля. Гравитация Земли все еще ускоряет спутник по орбитальной траектории и продолжает тянуть спутник на более высокую орбиту. В конце концов, в точке C спутник достигает достаточно высокой и медленной орбиты, так что он начинает отставать от Земли. Затем он проводит следующее столетие или больше, кажущимся дрейфом «назад» по орбите, если смотреть относительно Земли. Его орбита вокруг Солнца все еще занимает лишь немного больше одного земного года. При наличии достаточного времени Земля и спутник окажутся по разные стороны от Солнца.
В конце концов спутник достигает точки D, где гравитация Земли теперь уменьшает орбитальную скорость спутника. Это заставляет его падать на более низкую орбиту, что фактически увеличивает угловую скорость спутника вокруг Солнца. Это продолжается до точки E, где орбита спутника теперь ниже и быстрее орбиты Земли , и он начинает двигаться впереди Земли. В течение следующих нескольких столетий он завершает свой путь обратно в точку A.
В долгосрочной перспективе астероиды могут перемещаться между подковообразными орбитами и квазиспутниковыми орбитами. Квазиспутники не связаны гравитацией со своей планетой, но, по-видимому, вращаются вокруг нее в ретроградном направлении, поскольку они вращаются вокруг Солнца с тем же орбитальным периодом, что и планета. К 2016 году орбитальные расчеты показали, что четыре подковообразных либратора Земли и все пять ее известных тогда квазиспутников неоднократно перемещаются между подковообразными и квазиспутниковыми орбитами. [3]
Несколько иной, но эквивалентный взгляд на ситуацию можно заметить, рассмотрев закон сохранения энергии . Это теорема классической механики, что тело, движущееся в потенциальном поле, независимом от времени, будет иметь свою полную энергию, E = T + V , сохраняющуюся, где E - полная энергия, T - кинетическая энергия (всегда неотрицательная), а V - потенциальная энергия, которая отрицательна. Тогда очевидно, поскольку V = -GM/R вблизи гравитирующего тела с массой M и радиусом орбиты R , что, наблюдаемое из неподвижной системы отсчета, V будет увеличиваться для области позади M и уменьшаться для области перед ним. Однако орбиты с более низкой полной энергией имеют более короткие периоды, и поэтому тело, медленно движущееся по передней стороне планеты, будет терять энергию, попадет на орбиту с более коротким периодом и, таким образом, медленно удаляться или «отталкиваться» от нее. Тела, медленно движущиеся по задней стороне планеты, будут приобретать энергию, подниматься на более высокую, более медленную орбиту и, таким образом, отставать, аналогично отталкиваясь. Таким образом, небольшое тело может перемещаться между лидирующим и отстающим положением, никогда не приближаясь слишком близко к планете, доминирующей в данном регионе.
На рисунке 1 выше показаны более короткие орбиты вокруг точек Лагранжа L 4 и L 5 (например, линии, близкие к синим треугольникам). Они называются орбитами головастика и могут быть объяснены аналогичным образом, за исключением того, что расстояние астероида от Земли не колеблется так далеко, как точка L 3 на другой стороне Солнца. По мере того, как он приближается к Земле или удаляется от нее, изменяющееся притяжение гравитационного поля Земли заставляет его ускоряться или замедляться, вызывая изменение его орбиты, известное как либрация .
Примером орбиты головастика является Полидевк , небольшой спутник Сатурна , который совершает либрацию вокруг задней точки L 5 относительно более крупного спутника Дионы . По отношению к орбите Земли астероид 2010 TK 7 диаметром 300 метров (980 футов) находится на орбите головастика вокруг ведущей точки L 4. 2020 VT1 следует по временной подковообразной орбите относительно Марса . [4]
