Резонансний транснептуновий об'єкт

В астрономії резонансний транснептуновий об'єкт — це транснептуновий об'єкт (ТНО), який перебуває в орбітальному резонансі з Нептуном. Орбітальні періоди резонансних об'єктів перебувають у простому цілочисельному відношенні до орбітального періоду Нептуна — наприклад, 1:2, 2:3 тощо. Резонансні ТНО можуть бути частиною основного населення поясу Койпера або більш віддаленого населення розсіяного диска^[1].

На діаграмі праворуч наведено розподіл відомих транснептунових об'єктів. Червоним кольором позначені резонансні об'єкти. Орбітальні резонанси з Нептуном позначені вертикальними штрихами: резонанс 1:1 відповідає орбіті Нептуна та його троянців; 2:3 — орбіті Плутона і плутино; 1:2, 2:5 тощо — низка сімейств меншого розміру.

І 2:3, і 3:2 — це позначення того самого резонансу. Тут немає двозначності, оскільки ТНО за визначенням мають орбітальні періоди довші, ніж у Нептуна. Використання позначень залежить від автора та галузі дослідження.

Детальні аналітичні й чисельні дослідження орбітальних резонансів Нептуна показали, що захоплені в них космічні тіла повинні мати відносно точні діапазони енергій^[2][3]. Якщо велика піввісь орбіти об'єкта перебуває поза межами цих вузьких діапазонів, орбіта стає хаотичною, а її елементи зазнають великих змін. Коли була відкрита певна кількість ТНО і накопичилася статистика, з'ясувалося, що понад 10 % з них перебувають у резонансі 2:3 з Нептуном — тобто їхній розподіл навряд чи є випадковим. Нині вважається, що ці об'єкти були «стягнуті» з більших відстаней за рахунок резонансів під час міграції Нептуна^[4]. Задовго до відкриття першого ТНО вчені припускали, що взаємодія між планетами-гігантами і масивним диском із дрібних частинок шляхом передання кутового моменту змусить Юпітер мігрувати всередину, а Сатурн, Уран і особливо Нептун — назовні (див. Модель Ніцци). Протягом цього відносно короткого періоду утворювані Нептуном орбітальні резонанси пронизуватимуть простір, захоплюючи на резонансні орбіти об'єкти, які спочатку перебували на різних геліоцентричних орбітах^[5].

Кілька далеких об'єктів було відкрито на орбітах з півосями, подібними до орбіти Нептуна, поблизу точок Лагранжа системи Сонце — Нептун. Ці троянці Нептуна, названі так за аналогією до троянців Юпітера, перебувають із Нептуном в орбітальному резонансі 1:1. Станом на липень 2024 року відомий 31 такий астероїд^[6]. Лише 5 об'єктів перебувають поблизу точки Лагранжа L₅ орбіти Нептуна, причому ідентифікація одного з них ненадійна; інші перебувають поблизу точки L₄^[7][8]. Крім того, астероїд (316179) 2010 EN65^[en] є так званим «троянцем-стрибунцем»: він переходить від лібрації навколо точки L₄ до лібрації навколо точки L₅ через точку L₃^[9].

• 385571 Отрера^[10]
• 385695 Клета^[en][11]
• (527604) 2007 VL305^[en][12]
• (530930) 2011 WG₁₅₇^[13]
• (612243) 2001 QR₃₂₂^[14]
• 2005 TN53^[en][15]
• (613490) 2006 RJ103^[en][16]
• (666739) 2010 TS₁₉₁^[17]
• 2010 TT₁₉₁^[18]
• 2012 UV₁₇₇^[19]
• 2013 RL₁₂₄^[20]
• 2013 TZ₁₈₇^[21]
• 2013 VX₃₀^[22]
• 2014 QO₄₄₁^[23]
• 2014 QP₄₄₁^[24]
• 2014 RO₇₄^[25]
• 2014 SC₃₇₄^[26]
• 2014 UU₂₄₀^[27]
• 2015 RW₂₇₇^[28]
• 2015 VV₁₆₅^[29]
• 2015 VW₁₆₅^[30]
• 2015 VX₁₆₅^[31]

• (530664) 2011 SO₂₇₇^[32]
• 2008 LC18^[en][33]
• 2011 HM102^[en][34]
• 2012 UD₁₈₅^[35]
• 2013 KY₁₈^[36]

Орбітальний резонанс 2:3 на відстані 39,4 а. о. є домінуючою категорією серед резонансних об'єктів. Станом на лютий 2020 року він включає 383 підтверджених і 99 можливих тіл (наприклад, (175113) 2004 PF₁₁₅)^[37]. Симуляції, здійснені в рамках Глибокого огляду екліптики, свідчать, що з 383 підтверджених плутино 338 мають стабільні орбіти^[38]. Об'єкти, що рухаються по орбітах у цьому резонансі, названі плутино на честь Плутона — першого відкритого тіла такого типу. Нижче наведено список великих плутино, які мають номери:

• 134340 Плутон
• 90482 Орк
• (208996) 2003 AZ84^[en]
• (455502) 2003 UZ413^[en]
• (84922) 2003 VS2^[en]
• 28978 Іксіон
• (84719) 2002 VR128^[en]
• (469372) 2001 QF298^[en]
• 38628 Гуя
• (33340) 1998 VG44^[en]
• (15789) 1993 SC^[en]
• (444745) 2007 JF43^[fr]
• (469421) 2001 XD255^[de]
• (120216) 2004 EW95^[en]
• 47171 Лемпо
• (504555) 2008 SO266^[fr]
• (307463) 2002 VU130^[en]
• (55638) 2002 VE95^[en]
• (450265) 2003 WU172^[fr]
• (469987) 2006 HJ123^[en]
• (508823) 2001 RX143^[pt]
• (469704) 2005 EZ296^[pt]

Ще одна популяція космічних тіл обертається навколо Сонця на відстані 43,6 а. о., посередині зони класичних об'єктів. Ці тіла досить малі (окрім двох з абсолютною зоряною величиною більше 6), і більшість із них рухаються орбітами, близькими до площини екліптики^[39]. Станом на лютий 2020 року, за даними Глибокого огляду екліптики вдалося ідентифікувати 55 транснептунових астероїдів, захоплених у резонанс 4:7^[40][39]. До об'єктів з добре визначеними орбітами належать^[39]:

• (119956) 2002 PA149^[fr]
• (119066) 2001 KJ76^[fr]
• (135024) 2001 KO76^[fr]
• (119070) 2001 KP77^[en]
• (181871) 1999 CO153^[fr]
• (118378) 1999 HT11^[en]
• (118698) 2000 OY51^[fr]
• 385446 Манве^[en]
• (385527) 2004 OK14^[pt]
• (500828) 2013 GR136^[es]
• (523742) 2014 TZ85^[de]

Цей резонанс, орбіти якого пролягають на відстані 47,7 а. о. від Сонця, часто вважають зовнішнім краєм поясу Койпера, а захоплені в нього об'єкти в цьому іноді називають «тутино» (twotino). Тутино мають нахили орбіт менше 15° і, як правило, помірні ексцентриситети від 0,1 до 0,3^[41]. Певна кількість космічних тіл, захоплених в орбітальний резонанс 2:1, імовірно, виникла не в планетезимальному диску, розкиданому гравітацією Непнута під час його міграції, а натомість була захоплена, коли вони вже були розсіяні^[42].

Кількісно тутино менше об'єктів, ніж плутино. Архів Джонстона налічує 99 тутино, тоді як симуляції Глибокого огляду екліптики станом на лютий 2020 року підтверджують 73^[43][44]. Моделювання орбіт на великих часових інтервалах показує, що резонанс 1:2 менш стабільний, ніж резонанс 2:3: лише 15 % тутино пережили 4 млрд років, тоді як плутино — 28 %^[45]. Отже, можливо, що колись тутино були такими ж численними, як і плутино, але відтоді їхня популяція значно зменшилася^[46].

До об'єктів із добре визначеними орбітами належать (у порядку зростання абсолютної величини)^[47]:

• (119979) 2002 WC19^[en]
• (308379) 2005 RS43^[de]
• (312645) 2010 EP65^[de]
• (26308) 1998 SM165^[en]
• (469505) 2003 FE128^[fr]
• (495189) 2012 VR113^[fr]
• (137295) 1999 RB216^[fr]
• (500880) 2013 JJ64^[pt]
• (20161) 1996 TR66^[en]
• (470083) 2006 SG369^[fr]
• (130391) 2000 JG81^[fr]
• (500877) 2013 JE64^[pt]

Станом на лютий 2020 року відомо 57 підтверджених об'єктів, захоплених у резонанс 2:5 на відстані 55,3 а. о. від Сонця^[48][49]. Нижче перелічені об'єкти з добре визначеними орбітами.

• (495603) 2015 AM281^[en]
• (26375) 1999 DE9^[en]
• (143707) 2003 UY117^[de]
• (471172) 2010 JC80^[fr]
• (471151) 2010 FD49(інші мови)
• 472235 Чжулун^[fr]
• (119068) 2001 KC77^[fr]
• (60621) 2000 FE8^[en]
• (38084) 1999 HB12^[fr]
• (135571) 2002 GG32^[fr]
• (69988) 1998 WA31^[fr]
• (84522) 2002 TC302^[en], кандидат у карликові планети

Станом на лютий 2020 року архів Джонстона нараховує 14 транснептунових об'єктів в орбітальному резонансі 1:3 з Нептуном на відстані 62,5 а. о. від Сонця^[50]. За даними Глибокого огляду екліптики, для десяти з них є надійно визначені орбіти^[51].

• (136120) 2003 LG7^[fr]
• (385607) 2005 EO297^[fr]
• 2004 VU₁₃₀
• (613469) 2006 QJ181^[fr]
• 2006 SF369^[fr]
• 2011 US411^[pt]
• 2014 FX71^[fr]
• 2015 BZ517^[pt] (?)
• 2015 GA55
• 2015 KY173
• 2015 RA278
• 2015 RZ277^[fr] (?)

Станом на лютий 2020 року для деяких об'єктів підтверджено такі резонанси вищих порядків^[52]:

Лібрація номінальної орбіти Гаумеа в обертовій системі відліку із зафіксованим Нептуном.

Кут лібрації ${\displaystyle \phi }$ нестабільного орбітального резонансу 7:12 Гаумеа з Нептуном, ${\displaystyle \phi ={\rm {12\cdot \lambda -{\rm {7\cdot \lambda _{\rm {N}-{\rm {5\cdot \varpi -{\rm {1\cdot \Omega }$ упродовж найближчих 5 млн років.

Вважається, що карликова планета Гаумеа перебуває в нестабільному орбітальному резонансі 7:12 з Нептуном^[56]. Її висхідний вузол орбіти Ω прецесує з періодом близько 4,6 млн років, і резонанс порушується двічі за цикл прецесії, або кожні 2,3 млн років, після чого знову відновлюється приблизно через сто тисяч років^[57]. Марк Буї кваліфікує Гаумеа його як нерезонансний об'єкт^[57].

Однією з причин для занепокоєння астрономів є слабкі резонанси, існування яких складно довести з огляду недостатню точність наявних даних про орбіти транснептунових об'єктів. Орбітальні періоди багатьох об'єктів перевищують 300 років. Більшість із них спостерігаються лише протягом відносно короткої дуги спостереження тривалістю лише кілька років. Через велику відстань до них і їхній повільний рух на тлі фонових зір можуть минути десятиліття, перш їхні орбіти будуть визначені достатньо добре, щоб впевнено стверджувати, яким є резонанс — істинним чи випадковим. Істинний резонанс плавно коливатиметься, а випадковий близький резонанс циркулюватиме.

Моделювання, здійснене В'ячеславом Ємельяненком та Оленою Кисельової у 2007 році, показало, що астероїд (131696) 2001 XT254^[en], перебуває в резонансі з Нептуном у співвідношенні 3:7 і зазнає лібрації, стабільність якої може зберігатися від менш ніж 100 мільйонів до мільярдів років^[58].

Ємельяненко й Кисельова показують також, що астероїд (48639) 1995 TL8^[en] має менш ніж 1%-ву ймовірність перебувати в резонансі 3:7 з Нептуном, але він здійснює циркуляції поблизу цього резонансу^[59].

Для класів ТНО немає загальноприйнятих точних визначень: їхні межі часто нечіткі, і навіть поняття резонансу не визначене точно. У Глибокому огляді екліптики були запропоновані динамічні класи, формально визначені на основі довгострокового прямого інтегрування орбіт під комбінованим впливом збурень від усіх чотирьох планет-гігантів (див. також формальне визначення класичного об'єкта поясу Койпера).

У загальному випадку резонанс середнього руху може включати не тільки орбітальні періоди виду

${\displaystyle {\rm {p\cdot \lambda -{\rm {q\cdot \lambda _{\rm {N}$,

де p і q — невеликі цілі числа, λ і λN — відповідно, середні довготи^[en] об'єкта й Нептуна, але можуть включати також довготу перигелію і довготи вузлів.

Об'єкт є резонансним, якщо для деяких малих цілих чисел (p, q, n, m, r, s) аргумент (кут), визначений нижче, є лібруючим (тобто обмеженим)^[60]:

${\displaystyle \phi ={\rm {p\cdot \lambda -{\rm {q\cdot \lambda _{\rm {N}-{\rm {m\cdot \varpi -{\rm {n\cdot \Omega -{\rm {r\cdot \varpi _{\rm {N}-{\rm {s\cdot \Omega _{\rm {N}$

де ϖ — довжготи перигеліїв^[en], а Ω — довготи висхідних вузлів, для Нептуна (з індексами N) і резонансного об'єкта (без індексів).

Термін «лібрація» тут означає періодичне коливання кута навколо певного значення і протиставляється циркуляції, за якої кут може набувати будь-якого значення від 0 до 360°. Наприклад, у випадку Плутона резонансний кут ϕ коливається навколо 180° з амплітудою близько 86,6°, тобто кут періодично змінюється від 93,4° до 266,6°^[61].

Виявилося, що всі нові плутино, відкриті в рамках Глибокого огляду екліптики, мають тип

${\displaystyle \phi ={\rm {3\cdot \lambda -{\rm {2\cdot \lambda _{\rm {N}-\varpi }$,

тобто подібні до резонансу середнього руху з Плутоном.

• Транснептуновий об'єкт
• Класичний об'єкт поясу Койпера
• Відокремлений транснептуновий об'єкт
• Планети поза орбітою Нептуна