Struttura ad arco globale dei collettori spaziali nel Sistema Solare. Mappe FLI a breve termine della regione compresa tra il bordo esterno della fascia principale degli asteroidi a 3 UA e appena oltre il semiasse maggiore di Urano a 20 UA, per tutte le eccentricità ellittiche, adottando un modello dinamico in ORBIT9 che contiene i sette pianeti maggiori (da Venere a Nettuno) come perturbatori (in alto) o Giove come unico perturbatore (in basso). Le orbite situate su collettori stabili appaiono con un colore più chiaro, mentre le regioni più scure corrispondono a traiettorie al di fuori di esse. Tre serie di curve di contorno dinamiche sono sovrapposte alla mappa nel pannello inferiore corrispondente alle linee del perielio (qj) e dell'afelio (Qj) di Giove (sottile, verde), il contorno di Giove Tisserand parametro Tj =3 che dicotomizza asteroidi e comete (spesso, giallo), e le varietà stabili di L1 (WsL1) e L2 (WsL2) (punteggiate, bianco). La mappa campiona più di 2 milioni di valori iniziali di (a, e), dove l'inclinazione iniziale i, argomento del perielio ω, e longitudine del nodo ascendente Ω sono posti uguali a quelli di Giove all'epoca iniziale 30 settembre 2012. L'anomalia media iniziale dei TP è impostata a 60° davanti a Giove nella sua orbita per riflettere la configurazione “greca” L4. un, semiasse maggiore; e, eccentricità. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abd1313
I collettori spaziali formano i confini dei canali dinamici per fornire un trasporto veloce ai tratti più interni ed esterni del sistema solare. Tali caratteristiche sono un elemento importante nella navigazione dei veicoli spaziali e nella progettazione delle missioni, fornendo una finestra sulla natura apparentemente erratica delle comete e delle loro traiettorie. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Nataša Todorović e un team di ricercatori in Serbia e negli Stati Uniti hanno rivelato una notevole e inaspettata struttura ornamentale di collettori nel sistema solare. Questa architettura era collegata in una serie di archi che si estendevano dalla cintura degli asteroidi a Urano e oltre. Le varietà più forti sono state trovate collegate a Giove con un profondo controllo sui piccoli corpi attraverso un'ampia e precedentemente sconosciuta gamma di energie a tre corpi. Le orbite di queste varietà hanno incontrato Giove su scale temporali rapide per trasformarsi in traiettorie di collisione o di fuga per raggiungere la distanza di Nettuno solo entro un decennio. In questo modo, proprio come un'autostrada celeste, tutti i pianeti generano collettori simili in tutto il sistema solare per un trasporto veloce in tutto.
Navigare nel caos nel sistema solare
In questo lavoro, Todorovic et al. usato indicatore Lyapunov veloce (FLI); una quantità dinamica utilizzata per rilevare il caos, per rilevare la presenza e la struttura globale delle varietà spaziali. Hanno catturato le instabilità che agiscono su scale temporali orbitali con lo strumento numerico sensibile e consolidato per definire le regioni di trasporto veloce nel sistema solare. Il caos nel sistema solare è indissolubilmente legato alla stabilità o instabilità di varietà che formano strutture intricate la cui interazione reciproca può consentire il trasporto caotico. Le proprietà generali possono essere descritte rispetto al piano, problema circolare e ristretto dei tre corpi (PCR3BP) che approssima il moto dei corpi celesti naturali e artificiali. Sebbene questo concetto sia lungi dall'essere pienamente compreso, le moderne intuizioni geometriche hanno rivoluzionato le traiettorie di progettazione dei veicoli spaziali e hanno contribuito a costruire nuovi osservatori astronomici spaziali per trasformare la nostra comprensione del cosmo.
La dinamica dei collettori spaziali che consentono il grand tour del sistema solare tramite una rete di trasporto interplanetario ha anche contribuito ai meccanismi di transito delle comete della famiglia di Giove (JFC). I JFC sono i prodotti evolutivi di oggetti transnettuniani che continuano ad evolversi attraverso la regione del pianeta gigante come Centauri e nel sistema solare interno. I corpi cometari e asteroidi che occupano orbite nella regione tra Giove, Nettuno e Centauri sono dinamici e instabili con una vita di pochi milioni di anni. Gli astrofisici di solito usano scale temporali molto diverse per modellare percorsi dinamici dettagliati che collegano diversi fusi orari del sistema solare esterno.
Un'immagine più fine delle varietà con oggetti che si scontrano e fuggono lungo di esse. Un altamente risolto, 1500 × 1500 punti, Mappa gioviana a minima distanza concentrata vicino alla più grande struttura caotica a forma di V, realizzato utilizzando Mercurius con un passo temporale dell'integratore di 0,01 (equivalente a circa mezza giornata). Nella mappa è contenuta un'immagine più fine delle varietà, dove notiamo piccole sottostrutture che avvolgono quelle principali. Sulla mappa di stabilità sono sovrapposte le orbite che collidono con Giove (punti verdi) e tutte le traiettorie di fuga (punti rosa), le cui transizioni dinamiche da ellittica a iperbolica sono state ulteriormente convalidate aumentando significativamente la tolleranza all'interno di Mercurius (utilizzando un passo di 1 min). Esempi di stati evolutivi di quattro condizioni iniziali (stelle rosse) localizzate sulle strutture sono mostrati in coordinate cartesiane nelle didascalie, dove viene mostrata anche l'orbita eliocentrica di Giove come riferimento (grigio). La traiettoria di fuga specifica nell'angolo in alto a destra è stata ulteriormente studiata utilizzando il modello più realistico dei sette pianeti, scoprendo che raggiunge effettivamente più di 100 AU in meno di un secolo nella sua illimitata evoluzione. Vengono fornite animazioni di orbite di collisione e di fuga. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
Todorovic et al. considerato l'evoluzione a breve termine (100 anni) di particelle di prova senza massa (TP) situate sugli orbitali tra la fascia principale degli asteroidi e Urano. Hanno presentato i dati in mappe dinamiche basate su due pacchetti di integrazione orbitale ampiamente utilizzati ORBIT9 e REBOUND mentre sviluppavano un modello di forza contenente sette pianeti principali da Venere a Nettuno come perturbatori insieme al sistema a tre corpi Sole/Giove/particella di prova. Gli asteroidi co-orbitali conosciuti come "Greci" e "Troiani" seguivano la stessa orbita di Giove ma guidavano o seguivano il pianeta di una distanza angolare.
Il team ha calcolato l'FLI (indicatore Lyapunov veloce) su 100 anni per una grande griglia, dove le regioni più chiare rappresentavano orbite situate su varietà stabili e le regioni più scure rappresentavano quelle lontane da esse. I ricercatori hanno notato l'emergere di una grande struttura caotica "a forma di V" collegata a una serie di archi a distanze eliocentriche crescenti e quasi a seguire la linea del perielio di Giove. Le varietà stabili hanno portato a un movimento caotico dovuto a complesse interazioni con le corrispondenti varietà instabili. Queste varietà erano analiticamente molto complesse. Per di più, come previsto, Giove era il perturbatore dominante del sistema e responsabile della maggior parte della ricca architettura caotica, tracciata fino a Nettuno.
Aspetto globale delle varietà spaziali in mappe gioviane a distanza minima di un secolo calcolate su circa dieci rivoluzioni orbitali di Giove con ogni fotogramma dell'animazione che mostra come gli archi e la sottostruttura foliata si manifestano con incrementi di tre anni. Ogni mappa campiona quattro milioni di valori iniziali di semiasse maggiore ed eccentricità, dove l'inclinazione iniziale, argomento del perielio, e longitudine del nodo ascendente dei TP sono posti uguali a quelli di Giove all'epoca iniziale 30 settembre 2012. L'anomalia media iniziale dei TP è impostata a 60° davanti a Giove nella sua orbita per riflettere la configurazione greca L4. Sono sovrapposti due contorni dell'energia a tre corpi Sole-Giove-TP, con -1.5194 corrispondente al valore del punto di Lagrange L1. La mappa copre il bordo interno della fascia principale degli asteroidi a 2 AU fino a poco oltre il semiasse maggiore di Urano a 20 AU. Il pacchetto Mercurius all'interno di REBOUND è stato utilizzato sotto il modello a tre corpi Sun-Jupiter-TP. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
Per comprendere le dinamiche della fisica delle molteplicità e degli incontri ravvicinati nel sistema, Todorovic et al. utilizzato pacchetti software per monitorare accuratamente le evoluzioni attraverso approcci ravvicinati con Giove. Utilizzando mappe gioviane a distanza minima per le configurazioni orbitali greche e troiane, il team ha mostrato come tutte le orbite lungo le strutture caotiche sono entrate nella sfera di Jupiter's Hill nel corso della loro evoluzione. Per comprendere le dinamiche degli incontri ravvicinati, il team ha studiato i punti di equilibrio di Lagrange (L 1 e io 2 ), che definiscono posizioni nello spazio in cui l'attrazione gravitazionale di due grandi masse eguaglia esattamente la forza centripeta necessaria affinché un piccolo oggetto si muova con esse. Tutte le traiettorie di incontri ravvicinati hanno visitato il quartiere di L 1 o L 2 punti di Lagrange, gettando luce sulla dicotomia greco-troiana poco compresa degli asteroidi troiani sfuggiti a Giove.
Piccoli corpi situati su collettori che portano a una rapida collisione con Giove Evoluzione del telaio inerziale eliocentrico-eclittica dei 31 TP in collisione. La collisione più veloce si è verificata in poco più di sette anni e il tempo medio di collisione è stato di circa 36 anni. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abd1313
Tra le particelle di prova (TP) che si avvicinano a Giove, alcune dozzine si scontrarono direttamente e le loro distanze giovicentriche divennero inferiori al raggio di Giove. Quasi 2000 TP sono passati da orbite ellittiche legate a orbite di fuga iperboliche non legate come risultato di incontri indotti da molteplici. Le orbite di transizione hanno poi raggiunto Urano e Nettuno entro 38 e 46 anni; le particelle di test più veloci sono arrivate nella regione nettuniana in meno di un decennio. La dispersione o la collisione con Giove era almeno di diversi ordini di grandezza più brevi di quelle precedentemente riportate. Todorovic et al. successivamente osservato il percorso della cometa 39P/Oterma sulla base di lavori precedenti condotti più di due decenni fa, dove la cometa ha seguito da vicino le strutture molteplici invarianti associate a L 1 e io 2 . Il lavoro ha mostrato come le varietà invarianti fossero il vero gateway orbitale che sembrava influenzare le orbite a bassa inclinazione più vicine ai punti di Lagrange dei pianeti esterni.
Piccoli corpi situati su collettori che portano alla rapida fuga dal Sistema Solare Evoluzione del telaio inerziale eliocentrico-eclittica di un sottoinsieme di 38 TP in fuga. Queste orbite di transizione da ellittica a iperbolica raggiungono in media le distanze di Urano e Nettuno in circa 38 e 44 anni, rispettivamente, e il 63% di loro viene espulso a 100 AU nel corso di un secolo. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
In questo modo, Nataša Todorović e colleghi hanno riportato in questo lavoro varietà che agiscono su scale temporali orbitali di diversi decenni, in contrasto con le decine o migliaia di milioni di rivoluzioni orbitali che sono tradizionalmente considerate. Ulteriori informazioni attraverso studi quantitativi forniranno approfondimenti sul trasporto tra le due cinture di corpi minori e la regione del pianeta terrestre. Il team prevede di combinare queste osservazioni con la teoria e le simulazioni per migliorare la comprensione esistente del trasporto celeste. L'effetto osservato di Giove indotto, il trasporto su larga scala su una scala temporale decennale non è una sorpresa, poiché le missioni spaziali sono state storicamente progettate per il trasporto assistito da Giove, inclusi i passaggi ravvicinati di Voyager 1 e Voyager 2.
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