Гравитационная замочная скважина

Гравитационная замочная скважина — это крошечная область космоса, где гравитация планеты может изменить орбиту пролетающего астероида так, что астероид столкнется с этой планетой на данном будущем орбитальном проходе. Слово «замочная скважина» противопоставляет большую неопределенность расчетов траектории (между временем наблюдения астероида и первой встречей с планетой) относительно узкому пучку(ям) критических траекторий. Этот термин был придуман П.В. Чодасом в 1999 году. Он вызвал некоторый общественный интерес, когда в январе 2005 года стало ясно, что астероид 99942 Апофис пролетит мимо Земли в 2029 году, но может пройти через ту или иную замочную скважину, что приведет к столкновению в 2036 или 2037 году. Однако с тех пор были проведены дальнейшие исследования, которые показали, что вероятность прохождения Апофиса через замочную скважину чрезвычайно мала.

Замочные скважины на ближайшее или отдаленное будущее называются по числам орбитальных периодов планеты и астероида соответственно между двумя встречами (например, « резонансная замочная скважина 7:6»). еще больше, но они меньшего размера Вторичных замочных скважин , траектории которых включают менее близкое промежуточное столкновение («выстрелы с берега»). Вторичные гравитационные замочные скважины ищутся путем выборки по важности : траектории виртуальных астероидов (или, скорее, их «начальные» значения во время первого столкновения) выбираются в соответствии с их вероятностью с учетом наблюдений за астероидом. Очень немногие из этих виртуальных астероидов являются виртуальными ударниками.

Фон

Из-за погрешностей наблюдений, неточностей в системе опорных звезд, смещения веса крупных обсерваторий по сравнению с меньшими, а также в значительной степени неизвестных негравитационных сил на астероиде, главным образом эффекта Ярковского , его положение в предсказанное время встречи является неопределенным. в трех измерениях. Обычно область вероятных положений формируется как волос, тонкая и вытянутая, поскольку визуальные наблюдения дают двумерные положения на небе, но не дают расстояний. Если область не слишком обширна, менее примерно одного процента радиуса орбиты, ее можно представить в виде трехмерного эллипсоида неопределенности , а орбиты (без учета взаимодействия) аппроксимировать прямыми линиями.

Теперь представьте себе плоскость, движущуюся с планетой и перпендикулярную скорости набегающего астероида (невозмущенную взаимодействием). Эта целевая плоскость называется b-плоскостью в честь параметра столкновения b , который представляет собой расстояние от точки плоскости до планеты в начале ее координат. В зависимости от положения траектории в b-плоскости изменяются ее направление и кинетическая энергия после встречи. Орбитальная энергия напрямую связана с длиной большой полуоси , а также с орбитальным периодом. Если орбитальный период астероида после встречи дробно кратен орбитальному периоду планеты, после заданного количества витков произойдет близкое сближение на той же орбитальной позиции.

Согласно теории тесных контактов Эрнста Эпика , множество точек в плоскости b, приводящих к заданному коэффициенту резонанса, образует круг. На этом круге лежат планета и две гравитационные замочные скважины, которые являются изображениями планеты в b-плоскости будущей встречи (или, скорее, немного большей области охвата из-за гравитационной фокусировки). Форма замочных скважин представляет собой небольшой круг, вытянутый и изогнутый по окружности для заданного коэффициента резонанса. Ближайшая к планете замочная скважина меньше другой, потому что изменение отклонения становится круче с уменьшением параметра столкновения b .

Высокая неопределенность влияет на расчет

Соответствующие «замочные скважины» — это те, что расположены близко к эллипсоиду неопределенности, проецируемому на плоскость b, где он становится вытянутым эллипсом. Эллипс сжимается и дрожит, когда к оценке добавляются новые наблюдения астероида. Если вероятный путь астероида будет проходить близко к замочной скважине, то точное положение самой замочной скважины будет иметь значение. Оно меняется в зависимости от направления и скорости приближения астероида, а также от негравитационных сил, действующих на него между двумя столкновениями. Таким образом, поговорка «промах не хуже мили» не применима к замочной скважине шириной в несколько сотен метров. Однако изменить траекторию астероида на милю можно с помощью относительно небольшого импульса , если до первой встречи еще много лет. Для отклонения астероида после пролета потребуется гораздо более сильный импульс.

Для такой быстро вращающейся планеты, как Земля, расчет траекторий, проходящих вблизи нее, радиусом менее десятка, должен учитывать сжатость планеты — ее гравитационное поле не сферически симметрично. Для еще более близких траекторий гравитационные аномалии могут иметь значение.

Для большого астероида (или кометы), проходящего близко к пределу Роша , его размер, который определяется по его звездной величине , влияет не только на предел Роша, но и на траекторию, поскольку центр гравитационной силы на теле отклоняется от его центра масс. более высокого порядка в результате чего приливная сила смещает замочную скважину.

См. также

• Гравитационная помощь
• Межпланетная транспортная сеть

Дальнейшее чтение

• П. В. Чодас: « Неопределенность орбиты, замочные скважины и вероятности столкновений », Бюллетень Астрономического общества , Vol. 31, 1999, стр. 1117, Bibcode : 1999BAAS...31R1117C .
• Андреа Милани и др.: « Близкие сближения астероидов: анализ и обнаружение потенциального столкновения », стр. 55–69 в: Уильям Ф. Боттке и др. (Ред.): Астероиды III , University of Arizona Press, 2002, ISBN   0-8165-2281-2 .
• Джованни Б. Вальсекки и др.: «Резонансный возврат к близким подходам: аналитическая теория», A&A 408, 2003, стр. 1179–1196, дои : 10.1051/0004-6361:20031039 .
• Джованни Б. Вальсекки: «Резонансные отдачи, замочные скважины и все такое...», Tumbling Stone. Архивировано 14 ноября 2012 г., номер 20 в Wayback Machine , 24 мая 2003 г.