В астрономии неправильная луна , неправильный спутник или неправильный естественный спутник — это естественный спутник, движущийся по далекой, наклонной и часто сильно эллиптической и ретроградной орбите . Они были захвачены своей родительской планетой, в отличие от обычных спутников , сформировавшихся на орбите вокруг них. Спутники неправильной формы имеют стабильную орбиту, в отличие от временных спутников , которые часто имеют столь же неправильную орбиту, но в конечном итоге исчезнут. Этот термин не относится к форме; Тритон , например, представляет собой круглую луну, но считается неправильной из-за своей орбиты и происхождения.
По состоянию на февраль 2024 года [обновлять]известно 228 спутников неправильной формы, вращающихся вокруг всех четырех внешних планет ( Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун ). Крупнейшими из каждой планеты являются Гималии Юпитера, Фиби Сатурна, Сикоракс Урана и Тритон Нептуна. В настоящее время считается, что спутники неправильной формы когда-то были независимыми объектами, вращавшимися вокруг Солнца, а затем были захвачены соседней планетой в начале истории Солнечной системы. Альтернативная теория, согласно которой они возникли дальше в поясе Койпера , не подтверждается текущими наблюдениями. [ нужна цитата ]
Не существует общепринятого точного определения спутника неправильной формы. Неофициально спутники считаются нерегулярными, если они находятся достаточно далеко от планеты, и прецессия их орбитальной плоскости в первую очередь контролируется Солнцем, другими планетами или другими лунами. [2]
На практике большую полуось спутника сравнивают с радиусом сферы Хилла планеты (то есть сферы ее гравитационного влияния) . Неправильные спутники имеют большие полуоси более 0,05, а апоапсы простираются до 0,65 . [1] Радиус сферы Хилла указан в соседней таблице.
Луна Земли, по-видимому, является исключением: ее обычно не относят к спутникам неправильной формы, хотя ее прецессия в основном контролируется Солнцем [ нужна ссылка ] и ее большая полуось превышает 0,05 радиуса сферы холмов Земли. С другой стороны, Тритон Нептуна , который, вероятно, является захваченным объектом, обычно считается нерегулярным, несмотря на то, что он находится в пределах 0,05 радиуса сферы Холма Нептуна. Нереида Нептуна и Япет Сатурна имеют большие полуоси, близкие к 0,05 радиуса сфер Хилл их родительских планет: Нереида (с очень эксцентричной орбитой) обычно считается неправильной, но не Япет.
Орбиты известных спутников неправильной формы чрезвычайно разнообразны, но существуют определенные закономерности. Ретроградные орбиты встречаются гораздо чаще (83%), чем прогрессивные. Неизвестно ни одного спутника с наклонением орбиты более 60 ° (или менее 130 ° для ретроградных спутников). Кроме того, можно выделить некоторые группировки, в которых один крупный спутник находится на одной орбите с несколькими меньшими спутниками.
Учитывая их удаленность от планеты, орбиты внешних спутников сильно возмущаются Солнцем, и их орбитальные элементы сильно изменяются за короткие промежутки времени. Большая полуось Пасифаи , например, меняется на 1,5 Гм за два года (одна орбита), наклонение около 10°, а эксцентриситет на 0,4 за 24 года (два периода обращения Юпитера). [3] Следовательно, средние орбитальные элементы (усредненные по времени) используются для идентификации группировок, а не соприкасающихся элементов на данную дату. (Аналогичным образом соответствующие элементы орбит используются для определения семейств астероидов .)
Спутники неправильной формы были захвачены с гелиоцентрических орбит. (Действительно, оказывается, что спутники неправильной формы планет-гигантов, троянов Юпитера и Нептуна , а также объектов серого пояса Койпера имеют схожее происхождение. [4] ) Чтобы это произошло, должно произойти по крайней мере одно из трех событий:
После захвата некоторые спутники могут распасться, что приведет к образованию групп спутников меньшего размера, следующих по одинаковым орбитам. Резонансы могут еще больше изменить орбиты, сделав эти группировки менее узнаваемыми.
Современные орбиты неправильных спутников стабильны, несмотря на существенные возмущения вблизи апоцентра . [6] Причиной этой стабильности ряда нерегулярных объектов является тот факт, что их орбиты имеют вековой резонанс или резонанс Козаи . [7]
Кроме того, моделирование позволяет сделать следующие выводы:
Увеличение эксцентриситета приводит к уменьшению перицентров и увеличению апоцентров. Спутники входят в зону обычных (больших) спутников и теряются или выбрасываются в результате столкновений и близких сближений. Альтернативно, возрастающие возмущения Солнца в растущих апоцентрах выталкивают их за пределы сферы Хилла.
Ретроградные спутники можно найти дальше от планеты, чем прямые. Детальное численное интегрирование показало эту асимметрию. Пределы являются сложной функцией наклонения и эксцентриситета, но в целом прямые орбиты с большими полуосями до 0,47 r H (радиус сферы Хилла) могут быть стабильными, тогда как стабильность ретроградных орбит может достигать 0,67 r H .
Граница большой полуоси для прямых спутников на удивление резкая. Спутник на прямой круговой орбите (наклонение = 0°) на высоте 0,5 r H покинет Юпитер всего за сорок лет. Эффект можно объяснить так называемым эвекционным резонансом . Апоцентр спутника, где сцепление планеты с Луной наиболее слабое, попадает в резонанс с положением Солнца. Эффекты возмущения накапливаются при каждом проходе, толкая спутник еще дальше наружу. [6]
Асимметрию между прямыми и ретроградными спутниками можно очень интуитивно объяснить ускорением Кориолиса в системе отсчета, вращающейся вместе с планетой. Для прямых спутников ускорение направлено наружу, а для ретроградных — внутрь, стабилизируя спутник. [8]
Захват астероида с гелиоцентрической орбиты не всегда перманентен. Согласно моделированию, временные спутники должны стать обычным явлением. [9] [10] Единственными наблюдаемыми примерами являются 2006 RH 120 и 2020 CD 3 , которые были временными спутниками Земли , обнаруженными в 2006 и 2020 годах соответственно. [11] [12] [13]
Поскольку объекты заданного размера тем труднее увидеть, чем дальше они от Земли, известные спутники Урана и Нептуна неправильной формы больше, чем спутники Юпитера и Сатурна; более мелкие, вероятно, существуют, но еще не наблюдались. Принимая во внимание эту наблюдательную погрешность, распределение размеров спутников неправильной формы кажется одинаковым для всех четырех планет-гигантов.
Распределение астероидов и многих подобных популяций по размерам можно выразить степенным законом : мелких объектов гораздо больше, чем крупных, и чем меньше размер, тем многочисленнее объект. Математическое соотношение, выражающее количество объектов диаметром меньше определенного размера аппроксимируется следующим образом:
Значение q определяется путем наблюдения.
Для спутников неправильной формы мелкостепенный закон ( q ≃ 2) наблюдается для размеров от 10 до 100 км, † но более крутой закон ( q ≃ 3,5) наблюдается для объектов размером менее 10 км. Анализ изображений, полученных канадско-французско-гавайским телескопом в 2010 году, показывает, что степенной закон для популяции небольших ретроградных спутников Юпитера вплоть до предела обнаружения ≈ 400 м является относительно пологим, при q ≃ 2,5. Таким образом, можно экстраполировать, что Юпитер должен был иметь600+600
−300спутники диаметром 400 м и более. [14]
Для сравнения, распределение крупных объектов пояса Койпера гораздо круче ( q ≈ 4). То есть на каждый объект в 1000 км приходится тысяча объектов диаметром 100 км, хотя неизвестно, насколько далеко распространяется это распределение. Распределение популяции по размерам может дать представление о ее происхождении, будь то в результате захвата, столкновения и распада или аккреции.
† На каждый объект длиной 100 км можно найти десять объектов длиной 10 км.
Цвета спутников неправильной формы можно изучать с помощью индексов цвета : простых мер различий видимой величины объекта через синий (B), видимый , то есть зелено-желтый (V), и красный (R) фильтры . Наблюдаемые цвета спутников неправильной формы варьируются от нейтральных (сероватых) до красноватых (но не таких красных, как цвета некоторых объектов пояса Койпера).
Система каждой планеты имеет несколько разные характеристики. Неправильные формы Юпитера имеют цвет от серого до слегка красного, что соответствует астероидам типов C , P и D. [16] Некоторые группы спутников имеют схожие цвета (см. последующие разделы). Неправильные формы Сатурна немного краснее, чем у Юпитера.
Крупные неправильные спутники Урана ( Сикоракс и Калибан ) светло-красные, тогда как меньшие Просперо и Сетебос серые, как и спутники Нептуна Нереида и Галимеда . [17]
При нынешнем разрешении видимые и ближние инфракрасные спектры большинства спутников кажутся безликими. До сих пор на Фебе и Нереиде предполагалось наличие водяного льда, а на Гималии были обнаружены особенности, приписываемые водным изменениям. [ нужна цитата ]
Обычные спутники обычно приливно заблокированы (то есть их орбита синхронна с их вращением, поэтому они обращены к родительской планете только одной стороной). Напротив, приливные силы на спутниках неправильной формы незначительны, учитывая их расстояние от планеты, а периоды вращения в диапазоне всего лишь десяти часов были измерены для крупнейших спутников Гималии , Фебы , Сикоракса и Нереиды (для сравнения с их орбитальными периодами). сотен дней). Такие скорости вращения находятся в том же диапазоне, что характерен для астероидов . [ нужна цитата ] Тритон, будучи намного больше и ближе к своей родительской планете, заблокирован приливами.
Некоторые спутники неправильной формы вращаются по орбитам «группами», в которых несколько спутников имеют одинаковые орбиты. Ведущая теория состоит в том, что эти объекты представляют собой столкновительные семейства , части более крупного тела, которое распалось.
Простые модели столкновений можно использовать для оценки возможной дисперсии параметров орбиты при импульсе скорости Δ v . Применение этих моделей к известным параметрам орбиты позволяет оценить Δ v , необходимую для создания наблюдаемой дисперсии. В результате распада может возникнуть Δ v в десятки метров в секунду (5–50 м / с). Используя эти критерии, можно идентифицировать динамические группы нерегулярных спутников и оценить вероятность их общего происхождения в результате распада. [18]
Когда разброс орбит слишком велик (т.е. для этого потребуется Δ v порядка сотен м/с)
Когда цвета и спектры спутников известны, однородность этих данных для всех членов данной группировки является существенным аргументом в пользу общего происхождения. Однако недостаточная точность имеющихся данных часто затрудняет получение статистически значимых выводов. Кроме того, наблюдаемые цвета не обязательно отражают основной состав спутника.
Обычно перечисляются следующие группы (динамически плотные группы, отображающие однородные цвета, выделены жирным шрифтом )
Синопа , иногда включаемая в группу Пасифаев, имеет красный цвет и, учитывая разницу в наклоне, ее можно было запечатлеть самостоятельно. [16] [20] Пасифаи и Синопа также находятся в ловушке вековых резонансов с Юпитером. [6] [18]
Для спутников Сатурна обычно перечисляются следующие группы:
Согласно современным данным, количество спутников неправильной формы, вращающихся вокруг Урана и Нептуна, меньше, чем у Юпитера и Сатурна. Однако считается, что это просто результат трудностей наблюдения из-за большего расстояния Урана и Нептуна. В таблице справа показан минимальный радиус (r min ) спутников, которые можно обнаружить с помощью современных технологий, при условии, что альбедо равно 0,04; таким образом, почти наверняка существуют небольшие спутники Урана и Нептуна, которые пока невозможно увидеть.
Из-за меньшего числа сделать статистически значимые выводы о группах сложно. Единственная причина ретроградных иррегулярных движений Урана кажется маловероятной, учитывая разброс параметров орбиты, который потребовал бы высокого импульса (Δ v ≈ 300 км), что предполагает большой диаметр ударника (395 км), что, в свою очередь, несовместимо с Распределение фрагментов по размерам. Вместо этого предполагалось существование двух группировок: [16]
Эти две группы различаются (с достоверностью 3σ) по расстоянию от Урана и по эксцентриситету. [21] Однако эти группировки не подтверждаются напрямую наблюдаемыми цветами: Калибан и Сикоракс кажутся светло-красными, тогда как спутники меньшего размера — серыми. [17]
Для Нептуна отмечено возможное общее происхождение Псамате и Несо . [22] Учитывая схожие (серые) цвета, было также высказано предположение, что Халимеда могла быть фрагментом Нереиды. [17] На протяжении всей истории Солнечной системы вероятность столкновения двух спутников была очень высокой (41%). [23]
На сегодняшний день единственными нерегулярными спутниками, которые посетил космический корабль, являются Тритон и Феба , крупнейшие из нерегулярных спутников Нептуна и Сатурна соответственно. Тритон был получен «Вояджером-2» в 1989 году, а Фиби — зондом « Кассини» в 2004 году . «Вояджер -2» также сделал отдаленное изображение Нереиды Нептуна в 1989 году, а «Кассини» сделал отдаленное изображение Гималии Юпитера с низким разрешением в 2000 году. «Новые горизонты» сделали снимки низко Изображения Гималии, Элары и Каллиро на Юпитере с высоким разрешением в 2007 году. В будущем космические корабли не планируют посещать какие-либо нерегулярные спутники.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )