Троянские астероиды Юпитера: происхождение и характеристики

Введение

Астероид, разделяющий орбиту Юпитера

Троянцы Юпитера, обычно называемые троянскими астероидами или просто троянами, — это большая группа астероидов, которые разделяют орбиту планеты Юпитер вокруг Солнца. Относительно Юпитера каждый троянец либрационно движется вокруг одной из стабильных точек Лагранжа Юпитера: либо L4, находящейся на 60° впереди планеты по её орбите, либо L5, на 60° позади. Троянцы Юпитера распределены в двух удлинённых, изогнутых областях вокруг этих точек Лагранжа, со средней большой полуосью около 5,2 а.е. Как и астероиды главного пояса, троянцы Юпитера образуют семейства. Термин "троянский астероид" обычно понимается как относящийся конкретно к троянцам Юпитера, поскольку первые троянцы были обнаружены вблизи орбиты Юпитера, и в настоящее время Юпитер имеет наибольшее известное количество троянцев. Барнард полагал, что видел недавно открытый спутник Сатурна Фибу, который в то время находился всего в двух угловых минутах по небу, или, возможно, астероид. Истинная природа этого объекта не была установлена до расчета его орбиты в 1999 году.

Число и масса

Оценки общего числа троянских астероидов Юпитера основаны на глубоких наблюдениях ограниченных участков неба. Орбита двойной системы чрезвычайно близка – 650 км, в то время как радиус сферы Хилла основного тела составляет 35 000 км. В то же время, распределение периодов вращения астероидов главного пояса оказалось не максвелловским, с недостатком периодов в диапазоне 8–10 часов.

Состав

Спектроскопически, троянцы Юпитера в основном являются астероидами типа D, которые преобладают во внешних областях пояса астероидов. Спектры троянцев Юпитера похожи на спектры нерегулярных спутников Юпитера и, в определенной степени, на ядра комет, хотя троянцы Юпитера спектрально сильно отличаются от более красных объектов пояса Койпера. В 2006 году группа астрономов из обсерватории Кека на Гавайях объявила об измерении плотности двойного троянца Юпитера 617 Патрокл, которая оказалась меньше плотности водяного льда (0,8 г/см³). Это говорит о том, что пара, и, возможно, многие другие троянские объекты, по составу больше напоминают кометы или объекты пояса Койпера – водяной лед с пылевым слоем – чем астероиды главного пояса. Согласно одной из версий этой теории, Юпитер захватывает троянцев в процессе своего формирования, а затем мигрирует по мере роста. Во время миграции Юпитера орбиты объектов, находящихся в подковообразных резонансах, искажаются, что приводит к перенаселению области L4. В результате избыток троянцев оказывается захваченным в области L4, когда подковообразные орбиты переходят в орбиты типа "головастик" по мере роста Юпитера. Однако эта модель завышает численность популяции троянцев Юпитера на 3–4 порядка. Другая теория предполагает, что троянцы Юпитера были захвачены во время миграции гигантских планет, описанной в модели Ниццы. В рамках модели Ниццы орбиты гигантских планет стали нестабильными через 500–600 миллионов лет после формирования Солнечной системы, когда Юпитер и Сатурн пересекли резонанс 1:2 по среднему движению. Встречи между планетами привели к рассеянию Урана и Нептуна во внешний пояс Койпера, что разрушило его и выбросило миллионы объектов во внутреннюю Солнечную систему. Этот процесс может происходить и позже, когда Юпитер и Сатурн пересекают более слабые резонансы. В пересмотренной версии модели Ниццы троянцы Юпитера захватываются при столкновении Юпитера с ледяным гигантом во время периода нестабильности. В этой версии один из ледяных гигантов (Уран, Нептун или потерянная пятая планета) рассеивается внутрь на орбиту, пересекающую орбиту Юпитера, и затем выбрасывается наружу Юпитером, что приводит к быстрому разделению орбит Юпитера и Сатурна. Во время этих столкновений существующие троянцы Юпитера могут покинуть свою орбиту, а на их место захватываются новые объекты с полубольшими осями, близкими к новой полубольшой оси Юпитера. После последнего столкновения ледяной гигант может пройти через одну из точек либрации, возмущая орбиты троянцев и истощая эту точку либрации относительно другой. После завершения столкновений часть троянцев Юпитера теряется, а другая часть захватывается, когда Юпитер и Сатурн находятся вблизи слабых резонансов по среднему движению, таких как резонанс 3:7, посредством механизма, описанного в оригинальной модели Ниццы. Левисон и его коллеги полагают, что около 200 выброшенных троянцев Юпитера диаметром более 1 км могут путешествовать по Солнечной системе, и некоторые из них, возможно, пересекают орбиту Земли. Часть выброшенных троянцев Юпитера может стать кометами семейства Юпитера, приближаясь к Солнцу и начиная испарять поверхностный лед. Аппарат "Люси" предназначен для исследования семи троянцев Юпитера. Он был запущен 16 октября 2021 года и достигнет троянского облака в 2027 году после двух гравитационных маневров вблизи Земли и пролета мимо астероида главного пояса. Затем он вернется в окрестности Земли для еще одного гравитационного маневра, который направит его к троянскому облаку Юпитера, где он посетит 617 Патрокл.

Spectroscopically, the Jupiter trojans mostly are D type asteroids, which predominate in the outer regions of the asteroid belt. The Jupiter trojans' spectra are similar to those of the irregular moons of Jupiter and, to a certain extent, comet nuclei, though Jupiter trojans are spectrally very different from the redder Kuiper belt objects. A team from the Keck Observatory in Hawaii announced in 2006 that it had measured the density of the binary Jupiter trojan 617 Patroclus as being less than that of water ice (0.8 g/cm3), suggesting that the pair, and possibly many other Trojan objects, more closely resemble comets or Kuiper belt objects in composition—water ice with a layer of dust—than they do the main belt asteroids. In a variation of this theory Jupiter captures trojans during its initial growth then migrates as it continues to grow. During Jupiter's migration the orbits of objects in horseshoe orbits are distorted causing the L4 side of these orbits to be over occupied. As a result, an excess of trojans is trapped on the L4 side when the horseshoe orbits shift to tadpole orbits as Jupiter grows. This model also leaves the Jupiter trojan population 3–4 orders of magnitude too large. The second theory proposes that the Jupiter trojans were captured during the migration of the giant planets described in the Nice model. In the Nice model the orbits of the giant planets became unstable 500–600 million years after the Solar System's formation when Jupiter and Saturn crossed their 1:2 mean motion resonance. Encounters between planets resulted in Uranus and Neptune being scattered outward into the primordial Kuiper belt, disrupting it and throwing millions of objects inward. This process can also occur later when Jupiter and Saturn cross weaker resonances. In a revised version of the Nice model Jupiter trojans are captured when Jupiter encounters an ice giant during the instability. In this version of the Nice model one of the ice giants (Uranus, Neptune, or a lost fifth planet) is scattered inward onto a Jupiter crossing orbit and is scattered outward by Jupiter causing the orbits of Jupiter and Saturn to quickly separate. When Jupiter's semi major axis jumps during these encounters existing Jupiter trojans can escape and new objects with semi major axes similar to Jupiter's new semi major axis are captured. Following its last encounter the ice giant can pass through one of the libration points and perturb their orbits leaving this libration point depleted relative to the other. After the encounters end some of these Jupiter trojans are lost and others captured when Jupiter and Saturn are near weak mean motion resonances such as the 3:7 resonance via the mechanism of the original Nice model. Levison et al. believe that roughly 200 ejected Jupiter trojans greater than 1 km in diameter might be travelling the Solar System, with a few possibly on Earth crossing orbits. Some of the escaped Jupiter trojans may become Jupiter family comets as they approach the Sun and their surface ice begins evaporating. Lucy is set to explore seven Jupiter trojans. It was launched on October 16, 2021, and will arrive at the Trojan cloud in 2027 after two Earth gravity assists and a fly by of a main belt asteroid. It will then return to the vicinity of Earth for another gravity assist to take it to Jupiter's Trojan cloud where it will visit 617 Patroclus.