Астероїдний пояс: Проміжки Кірквуда та гравітація, яка їх вирізала

Місця між кам’яними та газовим гігантів світами

Між Марсом і Юпітером, приблизно на відстані 2,1 – 3,3 астрономічних одиниць від Сонця, обертається широка кільцева система з каміння та металевого уламку, відома як основний астероїдний пояс. Його часто уявляють як переповнену перешкодою трасу, але насправді це переважно порожній простір – сумарна маса всіх астероїдів у поясі становить лише близько 4% маси Місяця, з чого приблизно третина зафіксована в єдиному найбільшому тілі – карликової планеті Церера. На відміну від того, що це залишки розірваної планети, пояс зараз розуміється як матеріал, який ніколи не зміг об’єднатися в одну, його зростання було стримувано переважною гравітацією Юпітера.

Гарквудські проміжки: відбиток резонансу

Побудуйте графік кількості астероїдів проти їх відстані від Сонця, і ви побачите, що пояс нерівномірний – він має різкі, майже порожні западини, які називаються гарквудськими проміжками. Ці проміжки утворилися на піввеликій осі, де період обертання астероїда утворює простий відношення з періодом обертання Юпітера: 3:1 проміжок біля 2,5 астрономічних одиниць (а.о.), 5:2 проміжок біля 2,82 а.о., 7:3 проміжок біля 2,96 а.о. та 2:1 проміжок біля 3,27 а.о. Це саме той тип резонансу середнього моменту обертання, який захищає Плутон у поясі Койпера, але тут ефект діє в протилежному напрямку – повторні гравітаційні удари збільшують ексцентричність орбіти астероїда замість її стабілізації.

Kirkwood gap resonances (asteroid : Jupiter orbits)

  3:1 resonance   ~ 2.50 AU
  5:2 resonance   ~ 2.82 AU
  7:3 resonance   ~ 2.96 AU
  2:1 resonance   ~ 3.27 AU

asteroids that wander into these narrow zones get their
eccentricity pumped up until they cross Mars or Earth's
orbit and are removed by a close planetary encounter

Хаос, а не просто резонанс

Довгий час проміжки пояснювалися як чисто резонансна стимуляція, але в 1980-х роках Джек Віздом показав щось більш тонке: біля резонансу 3:1 орбіта астероїда справді стає хаотичною – її ексцентричність може залишатися низькою протягом десятків тисяч років, а потім різко збільшуватися до значення, що перетинає Марс, або навіть торкається Сонця, без очевидного тригера – це ознака детермінованого хаосу, а не плавної та передбачуваної зміни. Цей хаотичний процес ефективний і може очистити проміжок за кілька мільйонів років, що швидко порівнюється з віком Сонячної системи, тому проміжки настільки глибоко порожніють, а не просто виснажуються.

Не кожна резонансна взаємодія виводить матеріал – деякі накопичують його

Резонанси не завжди призводять до виведення матеріалу; декілька з них, навпаки, концентрують його. Астероїди Гільда стабільно утримуються в 3:2 резонансі з Юпітером, а на великій відстані від Юпітера, поблизу власного орбітального радіусу, розташовані дві групи астероїдів – Троянці, які закріплені в 1:1 резонансі з Юпітером та скупчені навколо гравітаційно-збалансованих Лагрангових точок на відстані 60 градусів попереду та позаду планети. Чи очищує резонанс простір або утримує популяцію, залежить від порядку та інтенсивності резонансу, а також від його взаємодії з формою орбіти – одна й та сама фундаментальна фізика породжує два абсолютно різних результати.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Asteroid Belt Dynamics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.