冥王星カロン系における周連星の衛星の過去と現在のダイナミクス
2021年12月22日に提出
冥王星カロン(PC)ペアは、通常、潮汐進化の終点である二重同期状態の連星と考えられています。小さな周連星衛星、ステュクス、ニックス、ケルベロス、ヒドラの発見は、それぞれカロンとの平均運動共鳴(MmR)3/1、4/1、5/1、および6/1の近くに置かれ、システムの複雑な動的アーキテクチャを明らかにします。PCシステムにはいくつかの形成機構が提案されている。
私たちの目標は、衛星システムの過去と現在の軌道ダイナミクスを分析することです。我々は、一定のタイムラグアプローチによってモデル化された、PCバイナリと小さな衛星との重力相互作用と潮汐進化を考慮して、正確な動きの方程式の数値積分の大規模なセットを通じて、PCシステムの過去と現在のダイナミクスを研究する。我々は、擬似ヤコビアン座標系で安定性マップを構築します。さらに、冥王星のオブラティネスの帯状の高調波J_2とカロンの降着質量を占めるより現実的なモデルを考慮して、システム全体の潮汐進化を調査する。
我々の結果は、選択された基準フレームにおいて、すべての衛星の現在の軌道がほぼ円形で、ほぼ平面的で、過去にシステムによって実験された収束散逸移動の指標と見なすことができるカロンとほぼ共鳴していることを示している。我々は、カロンが潮汐膨張中にその形成を完了するという仮定の下で、衛星はそれらの動きが強く興奮し、結果的に排出されることなく、安全に主要なMmrを横断できることを確認する。
ここで提案されたより現実的なシナリオでは、小さな衛星は共振輸送の仮説を呼び出すことなく、PCバイナリの潮汐膨張を生き残る。我々の結果は、PCシステム内の追加の小さな衛星を見つける可能性を排除できないことを指摘している。
キーワード。 天体力学–惑星と衛星：動的進化と安定性–方法：数値–惑星と衛星：個人：冥王星
図1：計算された衛星の初期条件のa–e平面（左パネル）とa–I平面（右パネル）の動的マップ
PCバイナリと、表1のJPLからの最初のステュクスの軌道要素を持つステュクスの質量の小さな衛星の場合。
衛星の現在の位置は赤い十字で示されています。 メインのMMRの場所が示され、灰色で表示されます
右パネルの線は、カロンの現在の傾きを示しています。
図2：Charonの初期条件のaC –eC平面上のStyx、Nix、Kerberos、およびHydraの動的マップ。 それぞれの
マップ、黒い曲線は、0.01、0.1、0.2の初期eC値で得られたカロンの潮汐軌道です。 初期
対応する衛星の状態は、表1のJPLに示されている状態に固定されています。青い色調は通常の状態を表しています。
動き、レンガのトーンは不安定性と混沌とした動きの増加に対応します。 上部のカラーバーは
∆e。 主なMMRの場所が示されています。
図3：ステュクス軌道進化の2つの典型的な例
その結果、不安定性（左側のパネル）または最終的な構成のいずれかが発生します。これは、現在の構成とは大幅に異なります。
軌道（右パネル）。 左パネル：使用した初期条件
aC / RP = 5、eC = 0.001、ΩC/ nC = 2、A = 10、
∆tP = 600秒。 ステュクスは最終的にシステムから排出されます
システムがCharon間で4 / 1MMRを通過するとき
およびステュクス（図には示されていません）。
ステュクスの離心率。 右パネル：使用した初期条件
aC / RP = 4、eC = 0.001、ΩC/ nC = 2、A = 10、
∆tP = 6秒。 軌道離心率は、達成するための4/1および7 / 2MMRの交差（図示せず）
平均値 '0.1、これは現在のステュクスの離心率。
図4：上段：ステュクスの軌道長半径（左）と離心率（右）の時間変化
PCバイナリの潮汐膨張中。 シミュレーションで使用される初期条件は、aC / RP = 4、esC = 0.001、ΩC/ nC = 2、A = 100です。
および∆ｔP = 600秒。 軌道要素の最終値
現在のものに近いままです。 下の行：平均運動比（左）とΔω（右）の時間変化。 ノート
nC / nの平均値が3より大きいこと。
角度Δωは約180°で振動します。
7.結論
の安定性と動的進化を分析します
PCシステムの小さな衛星、つまりStyx、Nix、Kerberosとヒドラ、カロンの潮汐軌道拡張中。
システムの実際のアーキテクチャと、PCバイナリシステムの潮汐膨張が小衛星の軌道進化にどのように影響するかを調査し、
以前の研究。
PCバイナリの周りの共振構造はN / 1とN / 2の共鳴、ただしそれらのほとんどは弱い低離心率と低傾斜領域で。 3/1MMRは、最も強い周惑星円盤の共鳴です。
月の離心率と傾斜角が低い場合（図を参照）。
1）。システムの現在の軌道構成は
内の安定した動きの動的な好みを示さない
現在、4つの小さな衛星があるにもかかわらず、N / 1の共鳴3 / 1、4 / 1、5 / 1、および6 / 1MMRの近くにあります。
aC –eC平面で動的マップを使用して、PCシステムの潮汐進化を小さなもので再構築します。
月は最初に現在の位置に配置されました（図2を参照）。我々
一定のタイムラグによってパラメータ化された潮汐モデルを採用し、∆t。 PCシステムが初期値を想定して進化するとき
eC〜0.001、共振はPCの場合よりも弱いシステムは初期値eC〜0.1または0.2をとって進化します。したがって、
最初の準円軌道からの進化は混沌を避けます
N / 1共鳴に関連する領域で、Charonの最初の離心率を制約します。さらに、現在の位置の近くにある小さな衛星の場合、それらの準主軸は
それらがMMRに捕らえられない限り、経年的に変化しないPCバイナリの潮の膨張による。
私たちの数値シミュレーションの結果はそれを示しています
4つの小さな現在の軌道を再現することが可能です 冥王星の初期の潮汐軌道拡大中の衛星
帯球調和関数J2の寄与を無視するとカロンおよび初期条件の特定の組み合わせについて
カロンの離心率、半主軸、散逸パラメータA.したがって、特定の仮定の下で
物理パラメータと初期準主軸の値と
カロンの離心率、これらの結果はいくつかに向けて指摘しています
特定のシナリオ（表3を参照）。たとえば、Styxとニックス、カロンの最初のほぼ円軌道が必要です
小型衛星の最終的な安定軌道を取得するため。の
さらに、冥王星の高い散逸（ΔtP）により、最終的な
Styxの軌道構成は彼らとよく一致しています
現在の軌道。
カロン質量を降着させて検討する場合
散逸係数Aと14の進化するJ2は、次のようになります。
小さな衛星が急速な進化に耐えることができること
冥王星-カロンシステムとありそうもない共鳴輸送
粒子はもう必要ありません。アドホックな大量進化
カロンの衛星は衛星がいくつかの共鳴を横切ることを可能にするかもしれません
共振運動の特定の位置に閉じ込められないようにします。また、Charon、eCの離心率は、Charonは5 / 1MMRを実際の位置で交差します
Styxは、サバイバル衛星を次のように取得するために、降着時間または散逸係数を推定するために使用される場合があります。
システムはきちんと進化します。 34RCと60RCの間の粒子の輪を考慮することを考慮した数値シミュレーションは、次のことを示しています。
かなりの量の粒子が安定した動きを続けていますが、
現在の小さな衛星に似た最終軌道を持っています。したがって、
将来のミッションでの追加の小さな衛星の検出
冥王星システムへの移行を除外するべきではありません。
より自己矛盾のないシナリオで質量の増加を制限するには、さらなる作業が必要です（例えば、Kokubo etal。
2000; Kokubo＆Ida 1998）。さらに、私たちのモデルは
間の相互摂動を考慮することによって改善される
小さな衛星（Showalter＆Hamilton 2015; Lee＆Peale
2006）;潮汐散逸のためのより現実的なモデルを使用することによって
氷の体の中で（Ferraz-Mello 2013; Folonier et al。を参照、またはカロンと摂動の傾斜を考慮することによって
2021年12月22日に提出
冥王星カロン(PC)ペアは、通常、潮汐進化の終点である二重同期状態の連星と考えられています。小さな周連星衛星、ステュクス、ニックス、ケルベロス、ヒドラの発見は、それぞれカロンとの平均運動共鳴(MmR)3/1、4/1、5/1、および6/1の近くに置かれ、システムの複雑な動的アーキテクチャを明らかにします。PCシステムにはいくつかの形成機構が提案されている。
私たちの目標は、衛星システムの過去と現在の軌道ダイナミクスを分析することです。我々は、一定のタイムラグアプローチによってモデル化された、PCバイナリと小さな衛星との重力相互作用と潮汐進化を考慮して、正確な動きの方程式の数値積分の大規模なセットを通じて、PCシステムの過去と現在のダイナミクスを研究する。我々は、擬似ヤコビアン座標系で安定性マップを構築します。さらに、冥王星のオブラティネスの帯状の高調波J_2とカロンの降着質量を占めるより現実的なモデルを考慮して、システム全体の潮汐進化を調査する。
我々の結果は、選択された基準フレームにおいて、すべての衛星の現在の軌道がほぼ円形で、ほぼ平面的で、過去にシステムによって実験された収束散逸移動の指標と見なすことができるカロンとほぼ共鳴していることを示している。我々は、カロンが潮汐膨張中にその形成を完了するという仮定の下で、衛星はそれらの動きが強く興奮し、結果的に排出されることなく、安全に主要なMmrを横断できることを確認する。
ここで提案されたより現実的なシナリオでは、小さな衛星は共振輸送の仮説を呼び出すことなく、PCバイナリの潮汐膨張を生き残る。我々の結果は、PCシステム内の追加の小さな衛星を見つける可能性を排除できないことを指摘している。
キーワード。 天体力学–惑星と衛星：動的進化と安定性–方法：数値–惑星と衛星：個人：冥王星
図1：計算された衛星の初期条件のa–e平面（左パネル）とa–I平面（右パネル）の動的マップ
PCバイナリと、表1のJPLからの最初のステュクスの軌道要素を持つステュクスの質量の小さな衛星の場合。
衛星の現在の位置は赤い十字で示されています。 メインのMMRの場所が示され、灰色で表示されます
右パネルの線は、カロンの現在の傾きを示しています。
図2：Charonの初期条件のaC –eC平面上のStyx、Nix、Kerberos、およびHydraの動的マップ。 それぞれの
マップ、黒い曲線は、0.01、0.1、0.2の初期eC値で得られたカロンの潮汐軌道です。 初期
対応する衛星の状態は、表1のJPLに示されている状態に固定されています。青い色調は通常の状態を表しています。
動き、レンガのトーンは不安定性と混沌とした動きの増加に対応します。 上部のカラーバーは
∆e。 主なMMRの場所が示されています。
図3：ステュクス軌道進化の2つの典型的な例
その結果、不安定性（左側のパネル）または最終的な構成のいずれかが発生します。これは、現在の構成とは大幅に異なります。
軌道（右パネル）。 左パネル：使用した初期条件
aC / RP = 5、eC = 0.001、ΩC/ nC = 2、A = 10、
∆tP = 600秒。 ステュクスは最終的にシステムから排出されます
システムがCharon間で4 / 1MMRを通過するとき
およびステュクス（図には示されていません）。
ステュクスの離心率。 右パネル：使用した初期条件
aC / RP = 4、eC = 0.001、ΩC/ nC = 2、A = 10、
∆tP = 6秒。 軌道離心率は、達成するための4/1および7 / 2MMRの交差（図示せず）
平均値 '0.1、これは現在のステュクスの離心率。
図4：上段：ステュクスの軌道長半径（左）と離心率（右）の時間変化
PCバイナリの潮汐膨張中。 シミュレーションで使用される初期条件は、aC / RP = 4、esC = 0.001、ΩC/ nC = 2、A = 100です。
および∆ｔP = 600秒。 軌道要素の最終値
現在のものに近いままです。 下の行：平均運動比（左）とΔω（右）の時間変化。 ノート
nC / nの平均値が3より大きいこと。
角度Δωは約180°で振動します。
7.結論
の安定性と動的進化を分析します
PCシステムの小さな衛星、つまりStyx、Nix、Kerberosとヒドラ、カロンの潮汐軌道拡張中。
システムの実際のアーキテクチャと、PCバイナリシステムの潮汐膨張が小衛星の軌道進化にどのように影響するかを調査し、
以前の研究。
PCバイナリの周りの共振構造はN / 1とN / 2の共鳴、ただしそれらのほとんどは弱い低離心率と低傾斜領域で。 3/1MMRは、最も強い周惑星円盤の共鳴です。
月の離心率と傾斜角が低い場合（図を参照）。
1）。システムの現在の軌道構成は
内の安定した動きの動的な好みを示さない
現在、4つの小さな衛星があるにもかかわらず、N / 1の共鳴3 / 1、4 / 1、5 / 1、および6 / 1MMRの近くにあります。
aC –eC平面で動的マップを使用して、PCシステムの潮汐進化を小さなもので再構築します。
月は最初に現在の位置に配置されました（図2を参照）。我々
一定のタイムラグによってパラメータ化された潮汐モデルを採用し、∆t。 PCシステムが初期値を想定して進化するとき
eC〜0.001、共振はPCの場合よりも弱いシステムは初期値eC〜0.1または0.2をとって進化します。したがって、
最初の準円軌道からの進化は混沌を避けます
N / 1共鳴に関連する領域で、Charonの最初の離心率を制約します。さらに、現在の位置の近くにある小さな衛星の場合、それらの準主軸は
それらがMMRに捕らえられない限り、経年的に変化しないPCバイナリの潮の膨張による。
私たちの数値シミュレーションの結果はそれを示しています
4つの小さな現在の軌道を再現することが可能です 冥王星の初期の潮汐軌道拡大中の衛星
帯球調和関数J2の寄与を無視するとカロンおよび初期条件の特定の組み合わせについて
カロンの離心率、半主軸、散逸パラメータA.したがって、特定の仮定の下で
物理パラメータと初期準主軸の値と
カロンの離心率、これらの結果はいくつかに向けて指摘しています
特定のシナリオ（表3を参照）。たとえば、Styxとニックス、カロンの最初のほぼ円軌道が必要です
小型衛星の最終的な安定軌道を取得するため。の
さらに、冥王星の高い散逸（ΔtP）により、最終的な
Styxの軌道構成は彼らとよく一致しています
現在の軌道。
カロン質量を降着させて検討する場合
散逸係数Aと14の進化するJ2は、次のようになります。
小さな衛星が急速な進化に耐えることができること
冥王星-カロンシステムとありそうもない共鳴輸送
粒子はもう必要ありません。アドホックな大量進化
カロンの衛星は衛星がいくつかの共鳴を横切ることを可能にするかもしれません
共振運動の特定の位置に閉じ込められないようにします。また、Charon、eCの離心率は、Charonは5 / 1MMRを実際の位置で交差します
Styxは、サバイバル衛星を次のように取得するために、降着時間または散逸係数を推定するために使用される場合があります。
システムはきちんと進化します。 34RCと60RCの間の粒子の輪を考慮することを考慮した数値シミュレーションは、次のことを示しています。
かなりの量の粒子が安定した動きを続けていますが、
現在の小さな衛星に似た最終軌道を持っています。したがって、
将来のミッションでの追加の小さな衛星の検出
冥王星システムへの移行を除外するべきではありません。
より自己矛盾のないシナリオで質量の増加を制限するには、さらなる作業が必要です（例えば、Kokubo etal。
2000; Kokubo＆Ida 1998）。さらに、私たちのモデルは
間の相互摂動を考慮することによって改善される
小さな衛星（Showalter＆Hamilton 2015; Lee＆Peale
2006）;潮汐散逸のためのより現実的なモデルを使用することによって
氷の体の中で（Ferraz-Mello 2013; Folonier et al。を参照、またはカロンと摂動の傾斜を考慮することによって
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