Adgang til kaosbuer i solsystemet til hurtig transport

Rummanifolder danner grænserne for dynamiske kanaler for at levere hurtig transport til de inderste og yderste af solsystemet. Sådanne funktioner er et vigtigt element i rumfartøjsnavigation og mission design, giver et vindue til den tilsyneladende uregelmæssige karakter af kometer og deres baner. I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Nataša Todorović og et team af forskere i Serbien og USA afslørede en bemærkelsesværdig og uventet ornamental struktur af manifolder i solsystemet. Denne arkitektur var forbundet i en række buer, der spredte sig fra asteroidebæltet til Uranus og videre. De stærkeste manifolder blev fundet forbundet med Jupiter med dyb kontrol over små kroppe på tværs af en bred og tidligere ukendt række af tre-kropsenergier. Banerne i disse manifolder stødte på Jupiter på hurtige tidsskalaer for at forvandle sig til kollisions- eller flugtbaner for kun at nå Neptuns afstand inden for et årti. På denne måde, meget gerne en himmelsk motorvej, alle planeter genererer lignende manifolder på tværs af solsystemet til hurtig transport igennem.

Navigerende kaos i solsystemet

I dette arbejde, Todorović et al. brugt hurtig Lyapunov -indikator (FLI); en dynamisk mængde, der bruges til at opdage kaos, at registrere tilstedeværelse og global struktur af rummanifold. De fangede ustabiliteten, der handlede på orbitale tidsskalaer med det følsomme og veletablerede numeriske værktøj til at definere områder med hurtig transport i solsystemet. Kaos i solsystemet er uløseligt forbundet med stabiliteten eller ustabiliteten af ​​manifolder, der danner indviklede strukturer, hvis indbyrdes interaktion kan muliggøre kaotisk transport. De generelle egenskaber kan beskrives i forhold til det plane, cirkulært og begrænset tre-kropsproblem (PCR3BP), der nærmer sig bevægelsen af ​​naturlige og kunstige himmellegemer. Selvom dette koncept langt fra er fuldt ud forstået, moderne geometrisk indsigt har revolutioneret rumfartøjs designbaner og hjulpet med at bygge nye rumbaserede astronomiske observatorier for at omdanne vores forståelse af kosmos.

Rumdynamikkens dynamik, der tillader den store rundvisning i solsystemet via et interplanetært transportnetværk, har også bidraget til Jupiter-familiekomets (JFC'er) transitmekanismer. JFC'erne er de evolutionære produkter fra trans-neptuniske objekter, der fortsætter med at udvikle sig gennem den gigantiske planetregion som centaurer og ind i det indre solsystem. Kometariske og asteroide kroppe, der befinder sig i kredsløb i regionen mellem Jupiter og Neptun og Centaurer, er dynamiske og ustabile med en levetid på kun et par millioner år. Astrofysikere bruger normalt meget forskellige tidsskalaer til at modellere detaljerede dynamiske veje, der forbinder forskellige tidszoner i det ydre solsystem.

Todorović et al. betragtet den kortsigtede (100-årige) udvikling af masseløse testpartikler (TP'er) placeret på orbitaler mellem hovedasteroidebæltet og Uranus. De præsenterede dataene i dynamiske kort baseret på to meget udbredte kredsløbintegrationspakker ORBIT9 og REBOUND, mens de udviklede en kraftmodel indeholdende syv store planeter fra Venus til Neptun som perturbers sammen med tre-kropssystemet Sun/Jupiter/testpartikel. Co-orbitale asteroider kendt som "grækere" og "trojanere" fulgte den samme bane som Jupiter, men førte eller slæbte efter planeten i en vinkelafstand.

Holdet beregnede FLI (hurtig Lyapunov -indikator) på tværs af 100 år for et stort net, hvor lysere områder repræsenterede kredsløb placeret på stabile manifolder og mørkere områder repræsenterede dem væk fra dem. Forskerne bemærkede fremkomsten af ​​en stor "V-formet" kaotisk struktur forbundet med en række buer ved stigende heliocentriske afstande og næsten følger Perihelion-linjen i Jupiter. De stabile manifolder førte til kaotisk bevægelse på grund af komplekse interaktioner med de tilsvarende ustabile manifolder. Disse manifolder var analytisk meget komplekse. Desuden, som forventet, Jupiter var systemets dominerende forstyrrelse og ansvarlig for størstedelen af ​​den rige kaotiske arkitektur - sporet helt ud over Neptun.

For at forstå dynamikken i mangfoldige og tæt-stødte fysikker i systemet, Todorović et al. brugte softwarepakker til nøjagtigt at spore udviklingen gennem tætte tilgange med Jupiter. Brug af Jovian-minimumsafstandskort til de græske og trojanske kredsløbskonfigurationer, holdet viste, hvordan alle baner langs de kaotiske strukturer kom ind i Jupiters Hill -kuglen i løbet af deres udvikling. For at forstå dynamikken i tæt møde, teamet undersøgte Lagrange ligevægtspunkter (L ₁ og L. ₂ ), som definerer positioner i rummet, hvor tyngdekraften fra to store masser præcist svarede til den centripetalkraft, der kræves for at et lille objekt kan bevæge sig med dem. Alle nærliggende stier besøgte kvarteret i enten L ₁ eller L. ₂ Lagrange point, kaster lys over den dårligt forståede græsk-trojanske dikotomi af undslapne Jupiter-trojanske asteroider.

Blandt de testpartikler (TP'er), der nærmer sig Jupiter, et par dusin kolliderede direkte, og deres jovicentriske afstande blev mindre end Jupiters radius. Næsten 2000 TP'er overgik fra bundne elliptiske baner til ubundne hyperbolske flugtbaner som følge af mangfoldige inducerede møder. Overgangsbanerne nåede derefter Uranus og Neptun inden for 38 og 46 år; de hurtigste testpartikler ankom til den neptuniske region under et årti. Spredning eller kollision med Jupiter var mindst flere størrelsesordener kortere end de tidligere rapporterede. Todorović et al. observerede derefter stien til komet 39P/Oterma baseret på tidligere arbejde udført for mere end to årtier siden, hvor kometen nøje fulgte de invariante mangfoldige strukturer forbundet med L ₁ og L. ₂ . Arbejdet viste, hvordan de invariante manifolder var den sande orbitale gateway, der syntes at påvirke banerne med lav hældning tættere på Lagrange-punkterne på ydre planeter.

På denne måde, Nataša Todorović og kolleger rapporterede mangfoldigheder, der virker på tværs af kredsløb i flere årtier i dette arbejde, i modsætning til de titusinder til millioner af orbitale revolutioner, der traditionelt betragtes. Yderligere oplysninger gennem kvantitative undersøgelser vil give dybere indsigt i transporten mellem de to bælter af mindre kroppe og den terrestriske planetregion. Teamet forventer at kombinere disse observationer med teori og simuleringer for at forbedre den eksisterende forståelse af himmeltransport. Den observerede effekt af Jupiter-induceret, storskala transport på en dekadal tidsskala er ingen overraskelse, da rummissioner historisk er designet til Jupiter-assisteret transport, herunder flybys af Voyager 1 og Voyager 2.

© 2020 Science X Network