Резонанс Лидова — Козаи

Резонанс Лидова — Козаи[1] — в небесной механике периодическое изменение соотношения эксцентриситета и наклонения орбиты под воздействием массивного тела или тел. Либрации (колебанию около постоянного значения) подвержен аргумент перицентра.

Этот эффект был описан в 1961 году советским учёным в области небесной механики и динамики космических полётов М. Л. Лидовым при исследовании орбит искусственных и естественных спутников планет[2][3] и в 1962 году японским астрономом Ёсихидэ Кодзаи[4], когда он анализировал орбиты астероидов[5]. Как показали дальнейшие исследования, резонанс Лидова — Козаи является важным фактором, формирующим орбиты нерегулярных спутников планет, транснептуновых объектов, а также внесолнечных планет и кратных звёздных систем[6].

Описание явления

Схема аргумента перицентра

Для орбиты небесного тела с эксцентриситетом и наклонением , которое вращается вокруг большего тела, сохраняется следующее постоянное соотношение:

Глядя на это соотношение, можно сказать, что эксцентриситет может быть «обменян» на наклонение и наоборот, и это периодическое колебание может привести к резонансу между двумя небесными телами. Таким образом, почти круговые, чрезвычайно наклонные орбиты могут получить очень большой эксцентриситет в обмен на меньшее наклонение. Так, например, увеличивающийся эксцентриситет, при постоянной большой полуоси уменьшает расстояние между объектами в перигелии, и этот механизм может заставить кометы становиться околосолнечными.

Как правило, для объектов на орбитах с небольшим наклонением подобные колебания приводят к прецессии аргумента перицентра. Начинаясь с некоторого значения угла, прецессия переходит в либрацию около одного из двух значений угла:90° или 270°, то есть перицентр (точка максимального сближения) будет колебаться вокруг этого значения. Минимальный угол наклонения называется углом Козаи и равен:

Для ретроградных спутников он равен 140,8°.

Физически эффект связан с передачей момента импульса и сохранением его общего количества в связанной системе (см. также интеграл Якоби).

Примеры и применение

Механизм Лидова является причиной того, что небесное тело располагается в перицентре, когда оно находится на самом большом расстоянии от экваториальной плоскости. Этот эффект — одна из причин того, что Плутон защищён от столкновений с Нептуном[7].

Резонанс Лидова также устанавливает ограничения для орбит, возможных в пределах системы, например:

  • для регулярных спутников планет: если орбита спутника планеты будет сильно наклонена к орбите планеты, то эксцентриситет спутниковой орбиты будет увеличиваться до тех пор пока спутник не будет разрушен приливными силами при очередном сближении[1].
  • для нерегулярных спутников: растущий эксцентриситет приведёт к столкновению с другим спутником (центральной планетой), или, при их отсутствии, рост апоцентрического расстояния может выбросить спутник из сферы Хилла планеты.

Резонанс Лидова — Козаи использовался при обнаружении внешних планет солнечной системы (Девятая планета[8]), а также при исследовании экзопланет[9][10].

Примечания

  1. М. Л. Лидов — учёный и человек
  2. Лидов, М. Л. Эволюция орбит искусственных спутников под воздействием гравитационных возмущений внешних тел // Искусственные спутники Земли : журнал. — 1961. Т. 8. С. 5—45.
  3. Lidov, M. L. The evolution of orbits of artificial satellites of planets under the action of gravitational perturbations of external bodies (англ.) // Planetary and Space Science : journal. — 1962. Vol. 9. P. 719—759.
  4. более правильно его имя звучит как Ёсихидэ Кодзай (яп. 古在 由秀 Кодзай Ёсихидэ)
  5. Y. Kozai, Secular perturbations of asteroids with high inclination and eccentricity. Astronomical Journal (11 января 1962). Дата обращения: 6 февраля 2010. Архивировано 17 апреля 2012 года. (англ.)
  6. Innanen et al. Linqing Wen. О распределении эксцентриситетов сливающихся двойных чёрных дыр в шаровых скоплениях порождаемом эффектом Козаи (On the Eccentricity Distribution of Coalescing Black Hole Binaries Driven by the Kozai Mechanism in Globular Clusters). arXiv.org (22 ноября 2002). (англ.)
  7. Innanen et al. The Kozai Mechanism and the stability of planetary orbits in binary star systems. Astronomical Journal (5 января 1997). Дата обращения: 6 февраля 2010. Архивировано 17 апреля 2012 года. (англ.)
  8. Максим Руссо. Планета девять: новые доказательства // полит.ру. — 2016. — 16 октября.
  9. Л. Л. Соколов, Б. Б. Эскин. О возможных резонансных орбитах экзопланет // Астрономический вестник. — 2009. Т. 43, № 1. С. 87—92. ISSN 0320-930X.
  10. Ivan Shevchenko. The Lidov–Kozai Effect – Applications in Exoplanet Research and Dynamical Astronomy (неопр.). — Springer, 2016. — ISBN 978-3-319-43522-0.

Литература

  • Lidov, Mikhail L. Эволюция орбит искусственных спутников под воздействием гравитационных возмущений внешних тел // Iskusstvennye Sputniki Zemli : журнал. — 1961. Т. 8. С. 5—45.
  • Lidov, Mikhail L. The evolution of orbits of artificial satellites of planets under the action of gravitational perturbations of external bodies (англ.) // Planetary and Space Science : journal. — 1962. Vol. 9, no. 10. P. 719—759. doi:10.1016/0032-0633(62)90129-0. — . (translation of the 1961 paper)
  • Lidov, Mikhail L. On approximate analysis of the evolution of orbits of artificial satellites (англ.) // Problems of Motion of Artificial Celestial Bodies. Proceedings of the Conference on General and Practical Topics of Theoretical Astronomy, Held in Moscow on 20–25 November 1961. : journal. — Publication of the Academy of Sciences of the USSR, Moscow 1963, 1963.
  • Kozai, Yoshihide. Secular perturbations of asteroids with high inclination and eccentricity (англ.) // The Astronomical Journal : journal. IOP Publishing, 1962. Vol. 67. P. 591. doi:10.1086/108790. — .
  • Shevchenko, Ivan I. The Lidov-Kozai Effect - Applications in Exoplanet Research and Dynamical Astronomy // Astrophysics and Space Science Library. — Cham: Springer International Publishing, 2017. — Т. 441. — ISBN 978-3-319-43520-6. doi:10.1007/978-3-319-43522-0.

Ссылки

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.