Estrutura global em forma de arco de variedades espaciais no Sistema Solar. Mapas FLI de curto prazo da região entre a borda externa do cinturão de asteróides principal em 3 UA até um pouco além do semi-eixo maior de Urano em 20 UA, para todas as excentricidades elípticas, adotando um modelo dinâmico em ORBIT9 que contém os sete planetas principais (de Vênus a Netuno) como perturbadores (em cima) ou Júpiter como o único perturbador (embaixo). Órbitas localizadas em coletores estáveis aparecem com uma cor mais clara, enquanto regiões mais escuras correspondem a trajetórias fora delas. Três conjuntos de curvas de limite dinâmicas são sobrepostos no mapa no painel inferior correspondendo às linhas do periélio (qj) e afélio (Qj) de Júpiter (fino, verde), o contorno de Júpiter Tisser e o parâmetro Tj =3 que dicotomiza asteróides e cometas (espesso, amarelo), e as variedades estáveis de L1 (WsL1) e L2 (WsL2) (pontilhada, Branco). O mapa mostra mais de 2 milhões de valores iniciais de (a, e), onde a inclinação inicial i, argumento do periélio ω, e a longitude do nó ascendente Ω são definidas como iguais à de Júpiter na época inicial de 30 de setembro de 2012. A anomalia média inicial dos TPs é definida como 60 ° à frente de Júpiter em sua órbita para refletir a configuração L4 “grega”. uma, semi-eixo maior; e, excentricidade. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abd1313
Os coletores espaciais formam os limites dos canais dinâmicos para fornecer transporte rápido para os confins mais internos e externos do sistema solar. Esses recursos são um elemento importante na navegação de naves espaciais e no projeto de missão, fornecendo uma janela para a natureza aparentemente errática dos cometas e suas trajetórias. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Nataša Todorović e uma equipe de pesquisadores na Sérvia e nos EUA revelaram uma notável e inesperada estrutura ornamental de variedades no sistema solar. Essa arquitetura foi conectada em uma série de arcos que se espalharam do cinturão de asteróides até Urano e além. As variedades mais fortes foram encontradas ligadas a Júpiter com profundo controle sobre pequenos corpos em uma ampla e até então desconhecida gama de energias de três corpos. As órbitas dessas variedades encontraram Júpiter em escalas de tempo rápidas para se transformar em trajetórias de colisão ou fuga para alcançar a distância de Netuno apenas em uma década. Desta maneira, muito parecido com uma estrada celestial, todos os planetas geram coletores semelhantes em todo o sistema solar para um transporte rápido.
Navegando no caos no sistema solar
Nesse trabalho, Todorović et al. usado indicador Lyapunov rápido (FLI); uma quantidade dinâmica usada para detectar o caos, para detectar a presença e estrutura global de variedades espaciais. Eles capturaram as instabilidades agindo em escalas de tempo orbitais com a ferramenta numérica sensível e bem estabelecida para definir regiões de transporte rápido no sistema solar. O caos no sistema solar está inextricavelmente ligado à estabilidade ou instabilidade de variedades que formam estruturas intrincadas, cuja interação mútua pode permitir o transporte caótico. As propriedades gerais podem ser descritas em relação ao plano, problema circular e restrito de três corpos (PCR3BP) aproximando o movimento de corpos celestes naturais e artificiais. Embora este conceito esteja longe de ser totalmente compreendido, as percepções geométricas modernas revolucionaram as trajetórias de design de espaçonaves e ajudaram a construir novos observatórios astronômicos baseados no espaço para transformar nossa compreensão do cosmos.
A dinâmica das variedades espaciais que permitem o grande tour do sistema solar por meio de uma rede de transporte interplanetário também contribuiu para os mecanismos de trânsito dos cometas da família de Júpiter (JFCs). Os JFCs são produtos evolutivos de objetos transnetunianos que continuam a evoluir através da região do planeta gigante como Centauros e no sistema solar interno. Corpos cometários e asteroidais que ocupam órbitas na região entre Júpiter e Netuno e os Centauros são dinâmicos e instáveis, com vidas úteis de apenas alguns milhões de anos. Os astrofísicos geralmente usam escalas de tempo muito diversas para modelar caminhos dinâmicos detalhados que conectam diferentes fusos horários do sistema solar externo.
Uma imagem mais precisa das variedades com objetos que colidem e escapam ao longo delas. Altamente resolvido, 1500 × 1500 pontos, Mapa de distância mínima de Júpiter concentrado perto da maior estrutura caótica em forma de V, feito usando Mercurius com um intervalo de tempo do integrador de 0,01 (equivalente a cerca de meio dia). Contido no mapa está uma imagem mais precisa das variedades, onde notamos pequenas subestruturas envolvendo as principais. Sobrepostas no mapa de estabilidade estão as órbitas que colidem com Júpiter (pontos verdes) e todas as trajetórias de escape (pontos rosa), cujas transições dinâmicas de elíptico para hiperbólico foram posteriormente validados aumentando significativamente a tolerância dentro de Mercurius (usando um tamanho de etapa de 1 min). Exemplos de estados evolutivos de quatro condições iniciais (estrelas vermelhas) localizados nas estruturas são mostrados em coordenadas cartesianas nas chamadas, onde a órbita heliocêntrica de Júpiter também é mostrada para referência (cinza). A trajetória de escape específica no canto superior direito foi investigada usando o modelo de sete planetas mais realista, descobrindo que de fato atinge mais de 100 UA em menos de um século em sua evolução ilimitada. São fornecidas animações de órbitas colisionais e de escape. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abd1313 
Todorović et al. considerada a evolução de curto prazo (100 anos) de partículas de teste sem massa (TPs) localizadas nos orbitais entre o cinturão de asteróides principal e Urano. Eles apresentaram os dados em mapas dinâmicos baseados em dois pacotes de integração de órbita amplamente usados, ORBIT9 e REBOUND, enquanto desenvolviam um modelo de força contendo sete planetas principais de Vênus a Netuno como perturbadores ao lado do sistema de três corpos Sol / Júpiter / partícula de teste. Asteróides co-orbitais conhecidos como "Gregos" e "Trojans" seguiram a mesma órbita de Júpiter, mas lideraram ou seguiram o planeta por uma distância angular.
A equipe calculou o FLI (indicador rápido de Lyapunov) ao longo de 100 anos para uma grande grade, onde regiões mais claras representavam órbitas localizadas em variedades estáveis e regiões mais escuras representavam aquelas distantes delas. Os pesquisadores notaram o surgimento de uma grande estrutura caótica "em forma de V" conectada a uma série de arcos em distâncias heliocêntricas crescentes e quase seguindo a linha do periélio de Júpiter. As variedades estáveis levaram ao movimento caótico devido a interações complexas com as variedades instáveis correspondentes. Essas variedades eram analiticamente altamente complexas. Além disso, como esperado, Júpiter era o perturbador dominante do sistema e responsável pela maior parte da rica arquitetura caótica - rastreada além de Netuno.
Aparência global de variedades espaciais em mapas de distância mínima de Júpiter de um século calculados ao longo de aproximadamente dez revoluções orbitais de Júpiter, com cada quadro da animação mostrando como os arcos e a subestrutura foliada se manifestam em incrementos de três anos. Cada mapa mostra quatro milhões de valores iniciais de semieixo maior e excentricidade, onde a inclinação inicial, argumento do periélio, e a longitude do nó ascendente dos TPs são iguais à de Júpiter na época inicial de 30 de setembro de 2012. A anomalia média inicial dos TPs é definida como 60 ° à frente de Júpiter em sua órbita para refletir a configuração L4 grega. Dois contornos da energia de três corpos do Sol-Júpiter-TP são sobrepostos, com -1,5194 correspondendo ao valor do ponto L1 de Lagrange. O mapa cobre a borda interna do cinturão de asteróides principal em 2 UA até um pouco além do semi-eixo maior de Urano em 20 UA. O pacote Mercurius dentro do REBOUND foi usado no modelo Sun-Jupiter-TP de três corpos. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abd1313 
Para entender a dinâmica da física múltipla e de encontro imediato no sistema, Todorović et al. usou pacotes de software para rastrear com precisão as evoluções por meio de abordagens próximas com o Júpiter. Usando mapas de distância mínima de Júpiter para as configurações orbitais gregas e de Tróia, a equipe mostrou como todas as órbitas ao longo das estruturas caóticas entraram na esfera da Colina de Júpiter durante o curso de sua evolução. Para entender a dinâmica do encontro próximo, a equipe investigou os pontos de equilíbrio de Lagrange (L 1 e eu 2 ), que definem posições no espaço onde a atração gravitacional de duas grandes massas é precisamente igual à força centrípeta necessária para que um pequeno objeto se mova com elas. Todas as trajetórias de encontro próximo visitaram a vizinhança de L 1 ou L 2 Pontos de Lagrange, lançando luz sobre a mal compreendida dicotomia grego-troiano dos asteróides escapados do Trojan de Júpiter.
Pequenos corpos localizados em variedades que levam a uma rápida colisão com Júpiter. Evolução da estrutura inercial heliocêntrico-eclíptica dos 31 TPs em colisão. A colisão mais rápida ocorreu em pouco mais de sete anos e o tempo médio de colisão foi de aproximadamente 36 anos. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abd1313
Entre as partículas de teste (TPs) que se aproximam de Júpiter, algumas dezenas colidiram diretamente e suas distâncias Jovicêntricas tornaram-se menores que o raio de Júpiter. Quase 2.000 TPs fizeram a transição de órbitas elípticas ligadas para órbitas de escape hiperbólicas não ligadas como resultado de encontros induzidos por múltiplas. As órbitas de transição alcançaram Urano e Netuno em 38 e 46 anos; as partículas de teste mais rápidas chegaram à região de Netuno em menos de uma década. A dispersão ou colisão com Júpiter foi pelo menos várias ordens de magnitude mais curta do que as relatadas anteriormente. Todorović et al. em seguida observou o caminho do cometa 39P / Oterma com base em trabalhos anteriores realizados há mais de duas décadas, onde o cometa seguiu de perto as estruturas múltiplas invariantes associadas com L 1 e eu 2 . O trabalho mostrou como as variedades invariantes eram o verdadeiro portal orbital que parecia influenciar as órbitas de baixa inclinação mais próximas dos pontos de Lagrange dos planetas externos.
Pequenos corpos localizados em variedades que levam a uma fuga rápida do Sistema Solar. Evolução da estrutura inercial heliocêntrico-eclíptica de um subconjunto de 38 TPs em fuga. Essas órbitas de transição elíptica para hiperbólica alcançam as distâncias de Urano e Netuno em cerca de 38 e 44 anos, em média, respectivamente, e 63% deles são chutados para 100 UA ao longo de um século. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abd1313 
Desta maneira, Nataša Todorović e seus colegas relataram multiplicidades que agem em escalas de tempo orbitais de várias décadas neste trabalho, em contraste com as dezenas a milhares de milhões de revoluções orbitais tradicionalmente consideradas. Informações adicionais por meio de estudos quantitativos fornecerão percepções mais profundas sobre o transporte entre os dois cinturões de corpos menores e a região do planeta terrestre. A equipe espera combinar essas observações com teoria e simulações para melhorar a compreensão existente do transporte celestial. O efeito observado de induzido por Júpiter, transporte em grande escala em uma escala de tempo decadal não é nenhuma surpresa, uma vez que as missões espaciais foram historicamente projetadas para o transporte assistido por Júpiter, incluindo voos da Voyager 1 e Voyager 2.
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