Подковообразная орбита - Horseshoe orbit

Сложная подковообразная орбита (вертикальная петля возникает 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. Период соприкосновения (мгновенный) орбиты меньшего тела остается очень близким к периоду обращения большего тела, и если его орбита немного более эксцентрична, чем орбита большего тела, в течение каждого периода кажется, что он очерчивает эллипс вокруг точки на поверхности. орбита большего объекта. Однако петля не замыкается, а смещается вперед или назад, так что точка, по которой она кружится, будет казаться плавно перемещающейся 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 очерчивает 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, или (85770) 1998 UP 1 и 2003 YN 107 . К 2016 году было обнаружено 12 подковообразных либраторов Земли.

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 подковообразного цикла

Задний план

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:

  1. Тело, находящееся ближе к Солнцу, совершает оборот по орбите быстрее, чем тело дальше от него.
  2. 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 и том же 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

Рисунок 1. План, показывающий возможные орбиты по гравитационным контурам. На этом изображении Земля (и все изображение с ней) вращается против часовой стрелки вокруг Солнца.
Рис. 2. Тонкая подковообразная орбита.

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

Когда спутник достигает точки B, он движется с той же скоростью, что и Земля. Гравитация Земли по-прежнему ускоряет спутник по орбитальной траектории и продолжает вытягивать спутник на более высокую орбиту. В конце концов, в точке C спутник достигает достаточно высокой и 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 немногим 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 гравитационно привязаны к своей планете, но, кажется, вращаются вокруг нее в ретроградном направлении, поскольку 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.

Энергетическая точка зрения

Несколько иной, но эквивалентный взгляд на ситуацию можно отметить, если рассмотреть вопрос о сохранении 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 очевидно, что, поскольку V = -GM / R вблизи гравитирующего тела массы M и орбитального радиуса R , которое видно из неподвижной системы отсчета, V будет увеличиваться для области за M и уменьшаться для области перед ним. . 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, будут отставать, также отталкиваясь. Таким образом, маленькое тело может перемещаться вперед и назад между передней и задней позицией, никогда не приближаясь слишком близко к планете, которая доминирует в этом регионе.

Орбита головастика

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 астероида от Земли не колеблется до точки L 3 на другой стороне Солнца. Когда он приближается или удаляется от Земли, изменяющееся 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 вращается 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 .

Известные и предполагаемые спутники Земли
Имя Эксцентриситет Диаметр
( м )
Исследователь 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. Квазиспутниковое временное Квазиспутниковое временное
2014 ПР 339 0,461 70–160 EURONEAR 29 июля 2014 г. Квазиспутниковое временное Квазиспутниковое 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 ПП 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


Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки