Неправильная луна

См. Также: Захват астероида

Фиби ( вверху ) и Тритон ( внизу ), два спутника неправильной формы, которые посетили космические корабли.

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 г. 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. Тритон довольно необычен для спутника неправильной формы; если его исключить, то Нереида — самая большая неправильная луна вокруг 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.

Определение

Планета	Радиус холма р Ч ( 10 6 км )	р Н ( ° )	Номер известен	Самый дальний известный спутник (10 6 км)
Юпитер	51	4.7	87	24,2 (0,47р Н )
Сатурн	69	3.0	122	26,4 ( 0,38рГ )
Уран	73	1.5	10	20,4 (0,28р Н )
Нептун	116	1.5	9 (включая Тритон)	50,6 (0,44р Н )

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.

спутника На практике большую полуось сравнивают с радиусом сферы Хилла планеты (то есть сферы ее гравитационного влияния), $r_{H}$. Спутники неправильной формы имеют большую полуось больше 0,05. $r_{H}$ с апоапсами , достигающими 0,65 $r_{H}$. Радиус сферы Хилла указан в соседней таблице: Уран и Нептун имеют больший радиус сферы Хилла, чем Юпитер и Сатурн, несмотря на то, что они менее массивны, поскольку они находятся дальше от Солнца. Однако ни один из известных спутников неправильной формы не имеет большой полуоси, превышающей 0,47. $r_{H}$.

Земли, Луна по-видимому, является исключением: ее обычно не относят к спутникам неправильной формы, хотя ее прецессия в основном контролируется Солнцем. а его большая полуось больше 0,05 радиуса сферы холмов Земли. Нептуна С другой стороны, Тритон , который, вероятно, является захваченным объектом, обычно считается нерегулярным, несмотря на то, что он находится в пределах 0,05 радиуса сферы Холма Нептуна, так что прецессия Тритона в первую очередь контролируется сжатием Нептуна, а не Солнцем. Нептуна Нереида Сатурна и Япет 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

Текущее распределение

Неправильные спутники Юпитера (красный), Сатурна (зеленый), Урана (пурпурный) и Нептуна (синий) (включая Тритон). Горизонтальная ось показывает их расстояние от планеты ( большая полуось планеты ), выраженное в долях радиуса сферы Хилла . Вертикальная ось показывает наклонение их орбит . Точки или кружки обозначают их относительные размеры. Данные по состоянию на февраль 2024 года.

Орбиты известных спутников неправильной формы чрезвычайно разнообразны, но существуют определенные закономерности. Ретроградные орбиты встречаются гораздо чаще (83%), чем прогрессивные. Неизвестны спутники с наклонением орбиты более 60 ° (или менее 130 ° для ретроградных спутников); при этом, кроме Нереиды, ни одна луна неправильной формы не имеет наклона менее 26°, а наклоны более 170° встречаются только в системе Сатурна. Кроме того, можно выделить некоторые группировки, в которых один крупный спутник находится на одной орбите с несколькими меньшими спутниками.

Учитывая их расстояние 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). 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 .)

Источник

Смотрите также: Тритон (луна) § Захват

Спутники неправильной формы были захвачены с гелиоцентрических орбит. (Действительно, похоже, что спутники неправильных планет-гигантов, трояны Юпитера и Нептуна , а также объекты серого пояса Койпера имеют схожее происхождение. ) Чтобы это произошло, должно произойти хотя бы одно из трех событий:

• диссипация энергии (например, при взаимодействии с первичным газовым облаком)
• планеты существенное (40%) расширение сферы холмов за короткий период времени (тысячи лет)
• передача энергии при трехчастичном взаимодействии . Это может включать в себя:
  • Столкновение (или близкое столкновение) приближающегося тела и спутника, в результате которого приближающееся тело теряет энергию и оказывается захваченным.
  • близкое столкновение приближающегося двоичного объекта с планетой (или, возможно, существующей луной), в результате которого захватывается один компонент двоичного объекта. Такой маршрут был предложен как наиболее вероятный для Тритона .

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.

Долгосрочная стабильность

Современные орбиты неправильных спутников стабильны, несмотря на существенные возмущения вблизи апоцентра . Причиной этой стабильности ряда нерегулярных объектов является тот факт, что их орбиты имеют вековой резонанс или резонанс Козаи .

Кроме того, моделирование позволяет сделать следующие выводы:

• Орбиты с наклонением от 50° до 130° очень нестабильны: их эксцентриситет быстро увеличивается, что приводит к потере спутника.
• Ретроградные орбиты более стабильны, чем прямые (стабильные ретроградные орбиты можно найти дальше от планеты).

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 прямоходные. 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 попутных спутников на удивление резкая. Спутник на прямолинейной 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.

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.

Временные захваты

Захват астероида с гелиоцентрической орбиты не всегда перманентен. Согласно моделированию, временные спутники должны стать обычным явлением. Единственными наблюдаемыми примерами являются 2006 RH 120 и 2020 CD 3 , временные спутники Земли , открытые в 2006 и 2020 годах соответственно.

Физические характеристики

Сравнительные массы крупнейших спутников неправильной формы и крупнейшего внутреннего спутника Юпитера Амальтеи (для сравнения). Значения ×10 ¹⁸ кг. По одному на каждой внешней планете > 1 × 10. ¹⁸ кг. Сикоракс и Нереида оцениваются, а не измеряются; Нереида не может быть захваченным телом. Спутники Марса Фобос и Деймос не были бы видны в таком масштабе, пока доминировал бы Тритон.

Размер

Степенной закон распределения объектов пояса Койпера по размерам, где q ≈ 4 и, следовательно, N ~ D ⁻³ . То есть на каждый объект пояса Койпера определенного размера приходится примерно в 8 раз больше объектов, размер которых вдвое меньше, и в тысячи раз больше объектов, размер которых составляет одну десятую этого размера.

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 в виде степенного закона : мелких объектов гораздо больше, чем крупных, и чем меньше размер, тем многочисленнее объект. Математическое соотношение, выражающее количество объектов, $N\,\!$, диаметром меньше определенного размера, $D\,\!$, аппроксимируется как:

${\frac {dN}{dD}}\sim D^{-q}$ где q определяет наклон.

Значение q определяется путем наблюдения.

Для спутников неправильной формы мелкий степенной закон ( q ≃ 2) наблюдается при размерах 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 у Юпитера должно быть 600 +600
−300 лун диаметром 400 м или больше.

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.

Вокруг каждой планеты-гиганта есть один спутник неправильной формы, который доминирует, имея более трех четвертей массы всей системы спутников неправильной формы: Гималия Сатурна Юпитера (около 75%), Феба Урана (около 98%), Сикоракс (около 90%). %) и Нереида Нептуна (около 98%). Нереида также доминирует среди спутников неправильной формы, взятых в целом, имея около двух третей массы всех спутников неправильной формы вместе взятых. Фиби составляет около 17%, Сикоракс около 7% и Гималия около 5%: остальные луны в сумме составляют около 4%. (В это обсуждение Тритон не включен.)

Цвета

Эта диаграмма иллюстрирует различия в цвете спутников неправильной формы Юпитера (красные метки), Сатурна (желтый) и Урана (зеленый). Показаны только нерегулярные объекты с известными показателями цвета. Для справки: кентавр Фол и три классических объекта пояса Койпера также изображены (серые метки, размер не в масштабе). Для сравнения см. также цвета кентавров и ОКБ .

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).

альбедо	нейтральный	красноватый	красный
низкий	С 3–8%	П 2–6%	Д 2–5%
середина		М 10–18%	13–35 %
высокий		Е 25–60%

Система каждой планеты имеет немного разные характеристики. Неправильные формы Юпитера имеют цвет от серого до слегка красного, что соответствует C , P и астероидам типов D. 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 .

Спектры

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.

Вращение

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 десяти часов были измерены для самых больших 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 . Тритон, будучи намного крупнее и ближе к своей родительской планете, заблокирован приливами.

Семьи общего происхождения

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.

Динамические группировки

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. Δ v В результате распада может возникнуть 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.

Когда разброс орбит слишком велик (т.е. для этого потребуется Δ v порядка сотен м/с)

• либо следует предположить более одного столкновения, т.е. кластер следует дополнительно разделить на группы
• или значительные изменения после столкновения, например, в результате резонансов, должны быть постулированы.

Цветовые группы

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.

Наблюдаемые группировки

Неправильные спутники Юпитера

Орбиты спутников Юпитера неправильной формы, показывающие, как они группируются в группы. Спутники представлены кружками, обозначающими их относительные размеры. Положение объекта на горизонтальной оси показывает его расстояние от Юпитера. Его положение на вертикальной оси указывает на наклонение орбиты . Желтые линии указывают на эксцентриситет его орбиты (т.е. степень изменения расстояния от Юпитера на протяжении его орбиты). Данные по состоянию на 2006 год.

Обычно перечисляются следующие группы (динамически плотные группы, отображающие однородные цвета, выделены жирным шрифтом )

• Прогрейд спутники
  • Группа Гималий имеет средний наклон 28°. Они удерживаются динамически (Δ v ≈ 150 м/с). Они однородны в видимых длинах волн (имеют нейтральные цвета, аналогичные цветам астероидов C-типа ) и в ближнем инфракрасном диапазоне.
  • Прямые спутники Фемисто , Карпо и Валетудо не входят ни в одну известную группу.

Анимация орбиты Гималии.
  Юпитер   ·   Гималия   ·   Каллисто

• Ретроградные спутники
  • Группа Карме имеет средний наклон 165 °. Он динамически герметичен (5 < Δ v < 50 м/с). Он очень однороден по цвету: каждый член имеет светло-красный цвет, соответствующий цвету прародителя астероида D-типа .
  • Группа Ананке имеет средний наклон 148 °. Он показывает небольшой разброс параметров орбиты (15 < Δ v < 80 м/с). Сама Ананке выглядит светло-красной, но другие члены группы серые.
  • Группа Пасифай очень рассредоточена. Сама Pasiphae кажется серой, тогда как другие члены ( Callirrhoe , Megaclite ) светло-красные.

Синопа , иногда включаемая в группу Пасифай, имеет красный цвет и, учитывая разницу в наклоне, ее можно было запечатлеть самостоятельно. Пасифая и Синопа также находятся в ловушке векового резонанса с Юпитером.

Неправильные спутники Сатурна

Спутники Сатурна неправильной формы, показывающие, как они группируются в группы. Данные по состоянию на 2006 год. Пояснения см. на диаграмме Юпитера.

Для спутников Сатурна обычно перечисляются следующие группы:

• Спутники Прогрейд
  • Галльская группа имеет средний наклон 34 °. Их орбиты динамически узкие (Δ v ≈ 50 м/с), светло-красного цвета; окраска однородна как в видимом, так и в ближнем инфракрасном диапазоне волн.
  • Группа инуитов имеет средний наклон 46 °. Их орбиты широко разбросаны (Δ v ≈ 350 м/с), но физически однородны и имеют светло-красную окраску.
• Ретроградные спутники
  • Скандинавская группа определяется в основном для целей именования; параметры орбит очень сильно разбросаны. Были исследованы подразделения, в том числе
    • Группа Фебы имеет средний наклон 174 °; эта подгруппа также широко рассредоточена и может быть разделена как минимум на две подподгруппы.
    • Группа Скати является возможной подгруппой норвежской группы.

• 
  Анимация группы инуитских спутников Сатурна
     Кивиук   ·    Иджирак   ·    Паалиак   ·    Сиарнак   ·   Таркек
• 
  Анимация орбиты Фиби.
    Сатурн   ·   Фиби   ·   Титан

Неправильные спутники Урана и Нептуна

Неправильные спутники Урана (зеленый) и Нептуна (синий) (исключая Тритон). Данные по состоянию на 2006 год. Пояснения см. на диаграмме Юпитера.

Планета	rгмин
Юпитер	1,5 км
Сатурн	3 км
Уран	7 км
Нептун	16 км

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. Единая 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:

• Калибан Группа
• Сикоракс Группа

Эти две группы различаются (с достоверностью 3σ) по расстоянию от Урана и по эксцентриситету. Однако эти группировки не подтверждаются напрямую наблюдаемыми цветами: Калибан и Сикоракс кажутся светло-красными, тогда как спутники меньшего размера — серыми.

возможное общее происхождение Псамате и Несо . Для Нептуна отмечено Учитывая схожие (серые) цвета, было также высказано предположение, что Халимеда могла быть фрагментом Нереиды. На протяжении всей истории Солнечной системы у двух спутников была очень высокая вероятность (41%) столкновения.

Разведка

Далекий Кассини снимок Гималии, сделанный

На сегодняшний день единственными нерегулярными спутниками, которые космический корабль посетил с близкого расстояния, 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 Нептуна отдалённое изображение Нереиды в 1989 году, а «Кассини» Юпитера с низким разрешением сделал отдалённое изображение Гималии в 2000 году . -2» также сделал Изображения Гималии Юпитера, Элары и Каллиррои в 2007 году. На протяжении всей миссии Кассини на расстоянии наблюдалось множество сатурнианских аномалий: Альбиорикс , Бебхионн , Бергельмир , Бестла , Эрриап , Форнжот , Грейп , Хати , Хюрроккин , Иджирак , Кари , Кивиук , Логе , Мундильфари , Нарви , Паалиак , Сиарнак , Скати , Сколл , Суттунгр , Таркек , Тарвос , Тримр и Имир .

Миссия «Тяньвэнь-4» (запуск состоится в 2029 году) планируется сосредоточить на регулярном спутнике Каллисто, вращающемся вокруг Юпитера, но она может пролететь мимо нескольких нерегулярных спутников Юпитера, прежде чем выйти на орбиту Каллистона.

Галерея

• 
  71 спутник Юпитера неправильной формы (для сравнения — Каллисто; другие галилеевские спутники также видны недалеко от центра, хотя и не обозначены явно). Данные по состоянию на 2021 год.
• 
  122 спутника Сатурна неправильной формы (для сравнения: Титан, Гиперион и Япет). Данные по состоянию на 2023 год.
• 
  9 неправильных спутников Урана. Данные по состоянию на 2021 год.
• 
  6 спутников Нептуна неправильной формы (исключая Тритон). Данные по состоянию на 2021 год.

Внешние ссылки

• Страницы Дэвида Джуитта
• Обстоятельства обнаружения из JPL
• Средние орбитальные элементы из JPL
• MPC: Служба эфемерид естественных спутников
• Тильманн Денк: Внешние спутники Юпитера и Сатурна