Подковообразная орбита

Сложная подковообразная орбита (вертикальная петля из-за наклона орбиты меньшего тела к орбите Земли и отсутствовала бы, если бы оба вращались в одной плоскости)
Вс · Земля · (419624) 2010 SO16

В небесной механике , А подковы орбита представляет собой тип совместного орбитального движения небольшого орбитального тела относительно большего орбитального тела. Орбитальный период меньшего тела очень почти такие же , как и для большего тела, и путь , кажется, имеет подковообразную форму , если смотреть со стороны большего объекта в вращающейся системе отсчета .

Петля не замкнута, но каждый раз будет слегка смещаться вперед или назад, так что точка, вокруг которой она кружится, будет плавно перемещаться по орбите большего тела в течение длительного периода времени. Когда объект приближается к большему телу близко на любом конце своей траектории, его видимое направление меняется. В течение всего цикла центр обрисовывает контур подковы с большим телом между «рогами».

Астероиды на подковообразных орбитах относительно Земли включают 54509 YORP , 2002 AA 29 , 2010 SO 16 , 2015 SO 2 и, возможно, 2001 GO 2 . Более широкое определение включает 3753 Cruithne , о котором можно сказать, что он находится на сложной и / или переходной орбите, ^[1] или (85770) 1998 UP 1 и 2003 YN 107 . К 2016 году было обнаружено 12 подковообразных либраторов Земли. ^[2]

Сатурн «s спутники Эпиметей и Янус занимают подковообразные орбиты по отношению друг к другу (в их случае не повторяются цикл: каждый из них следов полной подковы по отношению к другим).

Объяснение орбитального цикла подковы [ править ]

Фон [ править ]

Следующее объяснение относится к астероиду, который находится на такой орбите вокруг Солнца , и на него также влияет Земля.

Астероид находится почти на той же солнечной орбите, что и Земля. Обоим требуется около года для обращения по орбите вокруг Солнца.

Также необходимо усвоить два правила динамики орбиты:

Тело, находящееся ближе к Солнцу, совершает оборот по орбите быстрее, чем тело дальше от него.
Если тело ускоряется по своей орбите, его орбита движется наружу от Солнца. Если он замедляется, радиус орбиты уменьшается.

Подковообразная орбита возникает из-за того, что гравитационное притяжение Земли изменяет форму эллиптической орбиты астероида. Изменения формы очень малы, но приводят к значительным изменениям относительно Земли.

Подкова становится очевидной только при отображении движения астероида относительно Солнца и Земли. Астероид всегда вращается вокруг Солнца в одном направлении. Однако он проходит цикл, догоняя Землю и отставая от нее, так что его движение относительно Солнца и Земли имеет форму, напоминающую очертания подковы.

Этапы орбиты [ править ]

Рисунок 1. План с указанием возможных орбит по гравитационным контурам. На этом изображении Земля (и все изображение с ней) вращается против часовой стрелки вокруг Солнца.

Рисунок 2. Тонкая подковообразная орбита.

Начиная с точки A, на внутреннем кольце между L ₅ и Землей, спутник движется по орбите быстрее, чем Земля, и движется в направлении прохождения между Землей и Солнцем. Но гравитация Земли вызывает внешнюю ускоряющую силу, вытягивая спутник на более высокую орбиту, которая (согласно третьему закону Кеплера ) уменьшает его угловую скорость.

Когда спутник достигает точки B, он движется с той же скоростью, что и Земля. Сила тяжести Земли по-прежнему ускоряет спутник по орбитальной траектории и продолжает тянуть спутник на более высокую орбиту. В конце концов, в точке C спутник достигает достаточно высокой и достаточно медленной орбиты, так что он начинает отставать от Земли. Затем он проводит следующее столетие или больше, кажется, дрейфуя «назад» по орбите, если смотреть относительно Земли. Его орбита вокруг Солнца все еще занимает чуть больше одного земного года. Через некоторое время Земля и спутник окажутся по разные стороны от Солнца.

В конце концов спутник приближается к точке D, где земная гравитация теперь снижает орбитальную скорость спутника. Это заставляет его падать на более низкую орбиту, что фактически увеличивает угловую скорость спутника вокруг Солнца. Это продолжается до точки E, где орбита спутника теперь ниже и быстрее орбиты Земли , и он начинает двигаться впереди Земли. В течение следующих нескольких столетий он завершает свой путь обратно в точку А.

В более долгосрочной перспективе астероиды могут перемещаться между подковообразными орбитами и квазиспутниковыми орбитами. Квази-спутники не связаны гравитацией со своей планетой, но, кажется, вращаются вокруг нее в ретроградном направлении, когда они обращаются вокруг Солнца с тем же периодом обращения, что и планета. К 2016 году орбитальные расчеты показали, что четыре подковообразных либратора Земли и все пять известных на тот момент квазиспутников неоднократно перемещаются между подковообразными и квазиспутниковыми орбитами. ^[3]

Энергетическая точка зрения [ править ]

Несколько иной, но эквивалентный взгляд на ситуацию можно отметить, если учесть сохранение энергии . Теорема классической механики гласит, что у тела, движущегося в не зависящем от времени потенциальном поле , сохраняется его полная энергия, E = T + V , где E - полная энергия, T - кинетическая энергия (всегда неотрицательная) и V потенциальная энергия, которая отрицательна. Тогда это очевидно, поскольку V = -GM / R вблизи гравитирующего тела массы M и радиуса орбиты R , что видно из неподвижногокадра V будет увеличиваться для области за M и уменьшаться для области перед ней. Однако орбиты с более низкой полной энергией имеют более короткие периоды, и поэтому тело, медленно движущееся по передней стороне планеты, потеряет энергию, упадет на орбиту с более коротким периодом и, таким образом, медленно удалится или будет "отталкиваться" от нее. Тела, медленно движущиеся по задней стороне планеты, получат энергию, поднимутся на более высокую, более медленную орбиту и, таким образом, отстанут, так же отталкиваясь. Таким образом, маленькое тело может двигаться вперед и назад между передней и задней позицией, никогда не приближаясь слишком близко к планете, которая доминирует в этом регионе.

Орбита головастика [ править ]

Пример орбиты головастика
Вс · Земля · 2010 TK7

См. Также Trojan (астрономия) .

На рисунке 1 выше показаны более короткие орбиты вокруг лагранжевых точек L 4 и L 5 (например, линии, близкие к синим треугольникам). Они называются орбитами головастиков и могут быть объяснены аналогичным образом, за исключением того, что расстояние от астероида до Земли не колеблется до точки L 3 на другой стороне Солнца. По мере того, как он приближается к Земле или удаляется от нее, меняющееся притяжение гравитационного поля Земли заставляет его ускоряться или замедляться, вызывая изменение его орбиты, известное как либрация .

Примером тела на орбите головастика является Полидевк , маленький спутник Сатурна, который либирует вокруг конечной точки L 5 относительно более крупного спутника Дионы . Что касается орбиты Земли, астероид 2010 TK 7 диаметром 300 метров (980 футов) находится на орбите головастика вокруг ведущей точки L 4 . 2020 VT1 следует по временной подковообразной орбите относительно Марса . ^[4]

Известные и предполагаемые спутники Земли
Имя	Эксцентриситет	Диаметр ( м )	Первооткрыватель	Год открытия	Тип	Текущий Тип
Луна	0,055	1737400	?	?	Естественный спутник	Естественный спутник
1913 Великая метеоритная процессия	?	?	?	9 февраля 1913 г.	Возможный временный спутник	Разрушен
3753 Cruithne	0,515	5000	Дункан Уолдрон	10 октября 1986 г.	Квазиспутниковый	Подковообразная орбита
1991 VG	0,053	5–12	Spacewatch	6 ноября 1991 г.	Временный спутник	Астероид Аполлон
(85770) 1998 UP 1	0,345	210–470	ETS Lincoln Lab	18 октября 1998 г.	Подковообразная орбита	Подковообразная орбита
54509 YORP	0,230	124	ETS Lincoln Lab	3 августа 2000 г.	Подковообразная орбита	Подковообразная орбита
2001 GO 2	0,168	35–85	ETS Lincoln Lab	13 апреля 2001 г.	Возможная подковообразная орбита	Возможная подковообразная орбита
2002 AA 29	0,013	20–100	ЛИНЕЙНЫЙ	9 января 2002 г.	Квазиспутниковый	Подковообразная орбита
2003 г. № 107	0,014	10–30	ЛИНЕЙНЫЙ	20 декабря 2003 г.	Квазиспутниковый	Подковообразная орбита
(164207) 2004 ГУ 9	0,136	160–360	ЛИНЕЙНЫЙ	13 апреля 2004 г.	Квазиспутниковый	Квазиспутниковый
(277810) 2006 FV 35	0,377	140–320	Spacewatch	29 марта 2006 г.	Квазиспутниковый	Квазиспутниковый
2006 JY 26	0,083	6–13	Обзор неба Каталины	6 мая 2006 г.	Подковообразная орбита	Подковообразная орбита
2006 RH 120	0,024	2–3	Обзор неба Каталины	14 сентября 2006 г.	Временный спутник	Астероид Аполлон
(419624) 2010 SO 16	0,075	357	МУДРЫЙ	17 сентября 2010 г.	Подковообразная орбита	Подковообразная орбита
2010 ТК 7	0,191	150–500	МУДРЫЙ	1 октября 2010 г.	Земной троян	Земной троян
2013 BS 45	0,083	20–40	Spacewatch	20 января 2010 г.	Подковообразная орбита	Подковообразная орбита
2013 LX 28	0,452	130–300	Пан-СТАРРС	12 июня 2013 г.	Квази-спутниковое временное	Квази-спутниковое временное
2014 ПР 339	0,461	70–160	EURONEAR	29 июля 2014 г.	Квази-спутниковое временное	Квази-спутниковое временное
2015 СО 2	0,108	50–110	Обсерватория Чрни Врх	21 сентября 2015 г.	Квазиспутниковый	Подковообразная орбита временная
2015 XX 169	0,184	9–22	Mount Lemmon Survey	9 декабря 2015 г.	Подковообразная орбита временная	Подковообразная орбита временная
2015 г.	0,279	9–22	Обзор неба Каталины	16 декабря 2015 г.	Подковообразная орбита временная	Подковообразная орбита временная
2015 YQ 1	0,404	7–16	Mount Lemmon Survey	19 декабря 2015 г.	Подковообразная орбита временная	Подковообразная орбита временная
469219 Kamoʻoalewa	0,104	40–100	Пан-СТАРРС	27 апреля 2016 г.	Квази-спутниковая стабильная	Квази-спутниковая стабильная
DN16082203	?	?	?	22 августа 2016 г.	Возможный временный спутник	Разрушен
2020 CD 3	0,017	1–6	Mount Lemmon Survey	15 февраля 2020 г.	Временный спутник	Временный спутник
2020 PN 1	0,127	10–50	ATLAS-HKO	12 августа 2020 г.	Подковообразная орбита временная	Подковообразная орбита временная
2020 PP 1	0,074	10–20	Пан-СТАРРС	12 августа 2020 г.	Квази-спутниковая стабильная	Квази-спутниковая стабильная
2020 VT 1	0,167	70–150	Пан-СТАРРС	10 ноября 2020 г.	Подковообразная орбита временная	Подковообразная орбита временная
2020 XL 5	0,387	250–550	Пан-СТАРРС	12 декабря 2020 г.	Земной троян (подозревается)	Земной троян

См. Также [ править ]

Коробчатая орбита
Коорбитальная луна
Гало орбита
Межпланетная транспортная сеть
Орбита Лиссажу
Естественный спутник
Квазиспутниковый
Временный спутник

Ссылки [ править ]

^ Christou, Apostolos A .; Ашер, Дэвид Дж. (2011). «Долгоживущий подковообразный спутник Земли». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 414 (4): 2965–2969. arXiv : 1104.0036 . Биб-код : 2011MNRAS.414.2965C . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2011.18595.x . S2CID 13832179 .
^ de la Fuente Marcos, C .; де ла Фуэнте Маркос, Р. (апрель 2016 г.). «Трио подков: прошлое, настоящее и будущее динамическая эволюция земных коорбитальных астероидов 2015 XX ₁₆₉ , 2015 YA и 2015 YQ ₁ ». Астрофизика и космическая наука . 361 (4): 121–133. arXiv : 1603.02415 . Bibcode : 2016Ap & SS.361..121D . DOI : 10.1007 / s10509-016-2711-6 . S2CID 119222384 .
^ de la Fuente Marcos, C .; де ла Фуэнте Маркос, Р. (11 ноября 2016 г.). «Астероид (469219) (469219) 2016 HO ₃ , самый маленький и самый близкий квази-спутник Земли». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 462 (4): 3441–3456. arXiv : 1608.01518 . Bibcode : 2016MNRAS.462.3441D . DOI : 10.1093 / MNRAS / stw1972 . S2CID 118580771 .
^ де ла Фуэнте Маркос, Карлос; де ла Фуэнте Маркос, Рауль (март 2021 г.). «Использование марсианских коорбиталей для оценки важности событий разрушения YORP, вызванных вращением, в коорбитальном пространстве Земли» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 501 (4): 6007–6025. arXiv : 2101.02563 . Биб-код : 2021MNRAS.501.6007D . DOI : 10.1093 / MNRAS / stab062 .

Внешние ссылки [ править ]

Исследовательская статья, описывающая орбиты Horseshoe. Начните со страницы 105.
Хорошее описание 2002 AA29

[1] Christou, Apostolos A .; Ашер, Дэвид Дж. (2011). «Долгоживущий подковообразный спутник Земли». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 414 (4): 2965–2969. arXiv : 1104.0036 . Биб-код : 2011MNRAS.414.2965C . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2011.18595.x . S2CID 13832179 .

[Fuentes-horseshoe-2] Fuente Marcos, C .; де ла Фуэнте Маркос, Р. (апрель 2016 г.). «Трио подков: прошлое, настоящее и будущее динамическая эволюция земных коорбитальных астероидов 2015 XX ₁₆₉ , 2015 YA и 2015 YQ ₁ ». Астрофизика и космическая наука . 361 (4): 121–133. arXiv : 1603.02415 . Bibcode : 2016Ap & SS.361..121D . DOI : 10.1007 / s10509-016-2711-6 . S2CID 119222384 .

[Fuentes-2016HO3-3] Fuente Marcos, C .; де ла Фуэнте Маркос, Р. (11 ноября 2016 г.). «Астероид (469219) (469219) 2016 HO ₃ , самый маленький и самый близкий квази-спутник Земли». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 462 (4): 3441–3456. arXiv : 1608.01518 . Bibcode : 2016MNRAS.462.3441D . DOI : 10.1093 / MNRAS / stw1972 . S2CID 118580771 .

[MarsHorseshoe-4] де ла Фуэнте Маркос, Карлос; де ла Фуэнте Маркос, Рауль (март 2021 г.). «Использование марсианских коорбиталей для оценки важности событий разрушения YORP, вызванных вращением, в коорбитальном пространстве Земли» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 501 (4): 6007–6025. arXiv : 2101.02563 . Биб-код : 2021MNRAS.501.6007D . DOI : 10.1093 / MNRAS / stab062 .

[1]