Очистка района

Критерий, по которому небесное тело может считаться планетой

« Очищение окрестностей » (или динамическое доминирование ) вокруг орбиты небесного тела описывает, как тело становится гравитационно доминирующим, так что не существует других тел сопоставимого размера, кроме его естественных спутников или тех, которые иным образом находятся под его гравитационным влиянием.

«Очищение окрестностей» является одним из трех необходимых критериев для того, чтобы небесное тело считалось планетой Солнечной системы , согласно определению, принятому в 2006 году Международным астрономическим союзом (МАС). ^[1] В 2015 году было выдвинуто предложение распространить определение на экзопланеты . ^[2]

На конечных стадиях формирования планеты , планета , как это определено, «очистит окрестности» своей собственной орбитальной зоны, т. е. удалит другие тела сопоставимого размера. Крупное тело, которое соответствует другим критериям планеты, но не очистило свои окрестности, классифицируется как карликовая планета . Это включает Плутон , чья орбита пересекается с орбитой Нептуна и делит свои орбитальные окрестности со многими объектами пояса Койпера . Определение МАС не привязывает конкретные числа или уравнения к этому термину, но все планеты, признанные МАС, очистили свои окрестности в гораздо большей степени (на порядки величины ), чем любая карликовая планета или кандидат на роль карликовой планеты. ^[2]

Фраза взята из доклада, представленного на генеральной ассамблее МАС 2000 года планетологами Аланом Стерном и Гарольдом Ф. Левисоном . Авторы использовали несколько похожих фраз, поскольку они разрабатывали теоретическую основу для определения того, может ли объект, вращающийся вокруг звезды , «очистить соседний регион» от планетезималей на основе массы объекта и его орбитального периода . ^[3] Стивен Сотер предпочитает использовать термин «динамическое доминирование» , ^[4] а Жан-Люк Марго отмечает, что такой язык «кажется менее подверженным неправильному толкованию». ^[2]

До 2006 года в МАС не было конкретных правил для наименования планет, поскольку в течение десятилетий не было обнаружено новых планет, в то время как существовали устоявшиеся правила для наименования большого количества недавно открытых малых тел, таких как астероиды или кометы. Процесс наименования Эриды застопорился после объявления о ее открытии в 2005 году, поскольку ее размер был сопоставим с размером Плутона. МАС стремился решить вопрос наименования Эриды, стремясь к таксономическому определению, чтобы отличать планеты от малых планет .

Критерии

Фраза относится к вращающемуся телу (планете или протопланете ), которое со временем «выметает» свою орбитальную область, гравитационно взаимодействуя с более мелкими телами поблизости. На протяжении многих орбитальных циклов большое тело будет стремиться заставить малые тела либо аккрецировать с ним, либо быть возмущенным на другой орбите, либо быть захваченным либо в качестве спутника , либо на резонансной орбите . В результате оно затем не делит свою орбитальную область с другими телами значительного размера, за исключением своих собственных спутников или других тел, управляемых его собственным гравитационным влиянием. Это последнее ограничение исключает объекты, орбиты которых могут пересекаться, но которые никогда не столкнутся друг с другом из-за орбитального резонанса , такие как Юпитер и его троянцы , Земля и 3753 Круитни или Нептун и плутино . ^[3] Что касается необходимой степени очистки орбиты, Жан-Люк Марго подчеркивает, что «планета никогда не сможет полностью очистить свою орбитальную зону, поскольку гравитационные и радиационные силы постоянно возмущают орбиты астероидов и комет, заставляя их пересекать орбиты планет», и заявляет, что МАС не ставил перед собой цели достичь невыполнимого стандарта безупречной очистки орбиты. ^[2]

Стерн–ЛевисонΛ

В своей статье Стерн и Левисон пытались разработать алгоритм для определения того, какие «планетные тела контролируют окружающую их область». ^[3] Они определили Λ ( лямбда ), меру способности тела рассеивать меньшие массы из своей орбитальной области в течение периода времени, равного возрасту Вселенной ( время Хаббла ). Λ — безразмерное число, определяемое как

$${\displaystyle \Lambda ={\frac {m^{2}}{a^{3/2}}}\,k}$$

где m — масса тела, a — большая полуось тела, а k — функция орбитальных элементов рассеиваемого малого тела и степени, в которой оно должно рассеиваться. В области солнечного планетарного диска наблюдается небольшое изменение средних значений k для малых тел на определенном расстоянии от Солнца. ^[4]

Если Λ > 1, то тело, скорее всего, очистит малые тела в своей орбитальной зоне. Стерн и Левисон использовали этот дискриминант для разделения гравитационно скругленных тел, вращающихся вокруг Солнца, на сверхпланеты , которые «динамически достаточно важны, чтобы очистить [свои] соседние планетезимали», и подземные планеты . Подземные планеты — это восемь самых массивных солнечных орбиталов (т. е. планеты МАС), а подземные планеты — это все остальные (т. е. карликовые планеты МАС).

Сотерсμ

Стивен Сотер предложил основанную на наблюдениях меру μ ( mu ), которую он назвал « планетным дискриминантом », для разделения тел, вращающихся вокруг звезд, на планеты и непланеты. ^[4] Он определяет μ как , где μ — безразмерный параметр, M — масса кандидата на планету, а m — масса всех других тел, которые разделяют орбитальную зону , то есть всех тел, чьи орбиты пересекают общее радиальное расстояние от первичного, и чьи нерезонансные периоды отличаются менее чем на порядок величины. ^[4] $${\displaystyle \mu ={\frac {M}{m}}}$$

Сходство порядка величины в требовании периода исключает кометы из расчета, но объединенная масса комет оказывается незначительной по сравнению с другими малыми телами Солнечной системы, поэтому их включение не окажет большого влияния на результаты. Затем μ вычисляется путем деления массы тела-кандидата на общую массу других объектов, которые разделяют его орбитальную зону. Это мера фактической степени чистоты орбитальной зоны. Сотер предположил, что если μ > 100, то тело-кандидат следует считать планетой. ^[4]

МаргоП

Астроном Жан-Люк Марго предложил дискриминант Π ( пи ), который может классифицировать тело, основываясь только на его собственной массе, его большой полуоси и массе его звезды. ^{[2] Как и} Λ Стерна–Левисона , Π является мерой способности тела очищать свою орбиту, но в отличие от Λ он основан исключительно на теории и не использует эмпирические данные из Солнечной системы. Π основан на свойствах, которые можно определить даже для экзопланетных тел, в отличие от μ Сотера , который требует точной переписи орбитальной зоны.

$${\displaystyle \Pi ={\frac {m}{M^{5/2}a^{9/8}}}\,k}$$

где m — масса тела-кандидата в массах Земли , a — его большая полуось в а.е. , M — масса родительской звезды в массах Солнца , а k — константа, выбранная таким образом, чтобы Π > 1 для тела, способного очистить свою орбитальную зону. k зависит от желаемой степени очистки и времени, необходимого для этого. Марго выбрала степень, равную радиусу Хилла , и ограничение по времени жизни родительской звезды на главной последовательности (которое является функцией массы звезды). Тогда в упомянутых единицах и при продолжительности жизни на главной последовательности в 10 миллиардов лет k = 807. ^[a] Тело является планетой, если Π > 1. Минимальная масса, необходимая для очистки заданной орбиты, указана, когда Π = 1. ${\displaystyle 2{\sqrt {3}}}$

Π основан на расчете количества орбит, необходимых для того, чтобы тело-кандидат передало достаточно энергии малому телу на близлежащей орбите, так что меньшее тело будет очищено от желаемой орбитальной протяженности. Это отличается от Λ , который использует среднее время очистки, необходимое для выборки астероидов в поясе астероидов , и, таким образом, смещено к этой области Солнечной системы. Использование Π времени жизни на главной последовательности означает, что тело в конечном итоге очистит орбиту вокруг звезды; использование Λ времени Хаббла означает, что звезда может разрушить свою планетарную систему (например, став новой) до того, как объект действительно сможет очистить свою орбиту.

Формула для Π предполагает круговую орбиту. Ее адаптация к эллиптическим орбитам оставлена ​​для будущей работы, но Марго ожидает, что она будет такой же, как и для круговой орбиты, с точностью до порядка величины.

Для учета планет, вращающихся вокруг коричневых карликов, в 2024 году была опубликована обновленная версия критерия с равномерной шкалой времени очистки в 10 миллиардов лет. ^[5] Значения Π для тел Солнечной системы остаются неизменными.

Числовые значения

Ниже приведен список планет и карликовых планет, ранжированных по планетарному дискриминанту Марго Π в порядке убывания. ^[2] Для всех восьми планет, определенных МАС, Π на порядки больше 1, тогда как для всех карликовых планет Π на порядки меньше 1. Также перечислены Λ Стерна–Левисона и μ Сотера ; снова, планеты на порядки больше 1 для Λ и 100 для μ , а карликовые планеты на порядки меньше 1 для Λ и 100 для μ . Также показаны расстояния, где Π = 1 и Λ = 1 (где тело изменится от планеты к карликовой планете).

Масса Седны неизвестна; здесь она оценивается очень приблизительно как10 ²¹  кг , при условии плотности около2 г/см ³ .

Несогласие

Орбиты небесных тел в поясе Койпера с приблизительными расстояниями и наклоном. Объекты, отмеченные красным, находятся в орбитальном резонансе с Нептуном, с Плутоном (самый большой красный круг), расположенным в "шпиле" плутино в резонансе 2:3

Стерн, главный исследователь миссии New Horizons к Плутону, не согласился с переклассификацией Плутона на основании его неспособности очистить окрестности. Он утверждал, что формулировка МАС расплывчата, и что — как и Плутон — Земля , Марс , Юпитер и Нептун также не очистили свои орбитальные окрестности. Земля вращается по орбите с 10 000 околоземных астероидов (NEAs), а на орбите Юпитера находится 100 000 троянских астероидов . «Если бы Нептун очистил свою зону, Плутона бы там не было», — сказал он. ^[8]

Категория «планеты» МАС почти идентична предложенной Стерном категории «сверхпланеты». В статье, предлагающей дискриминант Λ Стерна и Левисона, они заявили: «Мы определяем сверхпланету как планетарное тело на орбите вокруг звезды, которая динамически достаточно важна, чтобы очистить соседние планетезимали...», а несколькими абзацами позже: «С динамической точки зрения наша солнечная система явно содержит 8 сверхпланет» — включая Землю, Марс, Юпитер и Нептун. ^[3] Хотя Стерн предложил это для определения динамических подкатегорий планет, он отклонил это для определения того, что такое планета, выступая за использование внутренних атрибутов вместо динамических отношений. ^[9]

Смотрите также

• Список объектов Солнечной системы
• Список гравитационно-скругленных объектов Солнечной системы
• Список объектов Солнечной системы по размеру
• Список известных астероидов
• Сфера влияния (астродинамика)

Примечания

1. Это выражение для k можно вывести, следуя статье Марго следующим образом: Время, необходимое для движения тела массой m по орбите вокруг тела массой M с орбитальным периодом P , равно: где и C — число радиусов Хилла, которые необходимо преодолеть. Это дает требование, чтобы время очистки было меньше характерной шкалы времени дает: это означает, что тело с массой m может очистить свою орбиту в течение обозначенной шкалы времени, если оно удовлетворяет Это можно переписать следующим образом, так что переменные можно изменить, чтобы использовать массы Солнца, массы Земли и расстояния в а.е. на и Затем, приравняв к времени жизни звезды на главной последовательности , приведенное выше выражение можно переписать, используя с временем жизни Солнца на главной последовательности и сделав аналогичное изменение переменных на время в годах. Это затем дает Тогда параметр орбитальной очистки представляет собой массу тела, деленную на минимальную массу, необходимую для очистки его орбиты (которая является правой частью приведенного выше выражения), и опуская черточки для простоты, получаем выражение для Π, как указано в этой статье: что означает, что затем можно использовать орбитальный период Земли, чтобы удалить и из выражения: что дает так что это становится Подстановка чисел дает k = 807. $${\displaystyle t_{\text{clear}}=P{\frac {\delta x^{2}}{D_{x}^{2}}}}$$ ${\displaystyle \delta x\simeq {\frac {C}{a}}\left({\frac {m}{3M}}\right)^{1/3},D_{x}\simeq {\frac {10}{a}}{\frac {m}{M}},P=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{GM}}},}$ $${\displaystyle t_{\text{clear}}=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{GM}}}{\frac {C^{2}}{a^{2}}}\left({\frac {m}{3M}}\right)^{2/3}{\frac {a^{2}M^{2}}{100m^{2}}}={\frac {2\pi }{100{\sqrt {G}}}}{\frac {C^{2}}{3^{2/3}}}a^{3/2}M^{5/6}m^{-4/3}}$$ ${\displaystyle t_{\text{clear}}}$ ${\displaystyle t_{*}}$ $${\displaystyle t_{*}\geq t_{\text{clear}}=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{GM}}}{\frac {C^{2}}{a^{2}}}\left({\frac {m}{3M}}\right)^{2/3}{\frac {a^{2}M^{2}}{100m^{2}}}={\frac {2\pi }{100{\sqrt {G}}}}{\frac {C^{2}}{3^{2/3}}}a^{3/2}M^{5/6}m^{-4/3}}$$ $${\displaystyle m\geq {\left[{\frac {2\pi }{100{\sqrt {G}}}}{\frac {C^{2}}{3^{2/3}t_{*}}}a^{3/2}M^{5/6}\right]}^{3/4}={{\left({\frac {2\pi }{100{\sqrt {G}}}}\right)}^{3/4}{\frac {C^{3/2}}{{\sqrt {3}}{t_{*}}^{3/4}}}a^{9/8}M^{5/8}}}$$ $${\displaystyle {\frac {m}{m_{\text{Earth}}}}\geq {{\left({\frac {2\pi }{100{\sqrt {G}}}}\right)}^{3/4}{\frac {C^{3/2}}{{\sqrt {3}}{t_{*}}^{3/4}}}{\left({\frac {a}{a_{\text{Earth}}}}\right)}^{9/8}{\left({\frac {M}{M_{\text{Sun}}}}\right)}^{5/8}{\frac {a_{\text{Earth}}^{9/8}M_{\text{Sun}}^{5/8}}{m_{\text{Earth}}}}}}$$ ${\displaystyle {\frac {M}{M_{\text{Sun}}}}\to {\bar {M}},{\frac {m}{m_{\text{Earth}}}}\to {\bar {m}},}$ ${\displaystyle {\frac {a}{a_{Earth}}}\to {\bar {a}}}$ ${\displaystyle t_{*}}$ ${\displaystyle t_{\text{MS}}}$ $${\displaystyle t_{*}\simeq t_{\text{MS}}\propto {\left({\frac {M}{M_{\text{Sun}}}}\right)}^{-5/2}t_{Sun},}$$ ${\displaystyle t_{\text{Sun}}}$ $${\displaystyle {\frac {t_{\text{Sun}}}{P_{\text{Earth}}}}\to {\bar {t}}_{Sun}.}$$ $${\displaystyle {\bar {m}}\geq {\left({\frac {2\pi }{100{\sqrt {G}}}}\right)}^{3/4}{\frac {C^{3/2}}{{\sqrt {3}}{{\bar {t}}_{\text{Sun}}}^{3/4}}}{\bar {a}}^{9/8}{\bar {M}}^{5/2}{\frac {a_{\text{Earth}}^{9/8}M_{\text{Sun}}^{5/8}}{m_{\text{Earth}}P_{\text{Earth}}^{3/4}}}}$$ $${\displaystyle \Pi ={\frac {m}{m_{\text{clear}}}}={\frac {m}{a^{9/8}M^{5/2}}}{\left({\frac {100{\sqrt {G}}}{2\pi }}\right)}^{3/4}{\frac {{\sqrt {3}}{t_{\text{Sun}}}^{3/4}}{C^{3/2}}}{\frac {m_{\text{Earth}}P_{\text{Earth}}^{3/4}}{a_{\text{Earth}}^{9/8}M_{\text{Sun}}^{5/8}}}.}$$ $${\displaystyle k={\left({\frac {100{\sqrt {G}}}{2\pi }}\right)}^{3/4}{\frac {{\sqrt {3}}{t_{\text{Sun}}}^{3/4}}{C^{3/2}}}m_{\text{Earth}}P_{\text{Earth}}^{3/4}a_{\text{Earth}}^{-9/8}M_{\text{Sun}}^{-5/8}}$$ ${\displaystyle a_{\text{Earth}}}$ ${\displaystyle P_{\text{Earth}}}$ $${\displaystyle P_{\text{Earth}}=2\pi {\sqrt {\frac {{a_{\text{Earth}}}^{3}}{M_{\text{Sun}}G}}},}$$ $${\displaystyle k={\left({\frac {100{\cancel {\sqrt {G}}}}{\cancel {2\pi }}}\right)}^{3/4}{\frac {{\sqrt {3}}{t_{\text{Sun}}}^{3/4}}{C^{3/2}}}m_{\text{Earth}}{\left({\cancel {2\pi }}{\sqrt {\frac {\cancel {{a_{\text{Earth}}}^{3}}}{M_{\text{Sun}}{\cancel {G}}}}}\right)}^{3/4}{\cancel {a_{\text{Earth}}^{-9/8}}}M_{\text{Sun}}^{-5/8},}$$ $${\displaystyle k={\sqrt {3}}C^{-3/2}(100t_{\text{Sun}})^{3/4}{\frac {m_{\text{Earth}}}{M_{\text{Sun}}}}}$$
2. Эти значения основаны на значении k, оцененном для Цереры и пояса астероидов: k равно1,53 × 10 ⁵ AU ^1,5 / ME ² , где AU — астрономическая единица, а ME — масса Земли. Соответственно, _Λ безразмерна .

Ссылки

1. "Генеральная Ассамблея IAU 2006: Результаты голосования по резолюции IAU". IAU. 24 августа 2006 г. Получено 23 октября 2009 г.
2. Марго, Жан-Люк (15.10.2015). «Количественный критерий определения планет». The Astronomical Journal . 150 (6): 185–191. arXiv : 1507.06300 . Bibcode : 2015AJ....150..185M. doi : 10.1088/0004-6256/150/6/185 .
3. Stern, S. Alan; Levison, Harold F. (2002). «Относительно критериев планетности и предлагаемых схем планетарной классификации» (PDF) . Highlights of Astronomy . 12 : 205–213, представлено на XXIV Генеральной ассамблее МАС–2000 [Манчестер, Великобритания, 7–18 августа 2000 г.]. Bibcode :2002HiA....12..205S. doi : 10.1017/S1539299600013289 .
4. Сотер, Стивен (2006-08-16). «Что такое планета?». The Astronomical Journal . 132 (6): 2513–2519. arXiv : astro-ph/0608359 . Bibcode : 2006AJ....132.2513S. doi : 10.1086/508861. S2CID  14676169.
5. Марго, Жан-Люк; Глэдман, Бретт; Янг, Тони (1 июля 2024 г.). «Количественные критерии определения планет». The Planetary Science Journal . 5 (7): 159. arXiv : 2407.07590 . Bibcode : 2024PSJ.....5..159M. doi : 10.3847/PSJ/ad55f3 .
6. Рассчитано с использованием оценки массы пояса Койпера, найденной в Иорио, 2007, составляющей 0,033 массы Земли.
7. Рассчитано с использованием оценки минимум 15 объектов с массой Седны в регионе. Оценка найдена в Schwamb, Megan E; Brown, Michael E; Rabinowitz, David L (2009). "A Search for Distant Solar System Bodies in the Region of Sedna". The Astrophysical Journal . 694 (1): L45–8. arXiv : 0901.4173 . Bibcode :2009ApJ...694L..45S. doi :10.1088/0004-637X/694/1/L45. S2CID  15072103.
8. Ринкон, Пол (25 августа 2006 г.). «Голосование Плутона «захвачено» в ходе восстания». BBC News . Получено 03.09.2006 .
9. "Защитник титула планеты Плутона: вопросы и ответы с планетологом Аланом Стерном". Space.com . 24 августа 2011 г. Получено 08.03.2016 .