共鳴する海王星外天体

天文学において、共鳴太陽外縁天体（きょうがいしゃそくたい）とは、海王星と平均運動軌道共鳴している太陽外縁天体（TNO）のことである。共鳴天体の軌道周期は、海王星の周期と単純な整数関係にあり、例えば1:2、2:3などである。共鳴TNOは、カイパーベルトの主要天体の一部である場合もあれば、より遠方の散乱円盤天体の一部である場合もある。^[1]

この図は、既知の太陽系外縁天体の分布を示しています。共鳴天体は赤でプロットされています。海王星との軌道共鳴は縦棒でマークされています。1:1 は海王星の軌道とトロヤ群の位置を示します。2:3 は冥王星と冥王星群の軌道を示します。1:2、2:5 などは、いくつかのより小さなファミリーを示します。2 :3または3:2という表記は、どちらも太陽系外縁天体の同じ共鳴を示しています。太陽系外縁天体は定義上、海王星よりも周期が長いため、曖昧さはありません。使用法は著者と研究分野によって異なります。

海王星の共鳴に関する詳細な分析と数値研究により、この天体は比較的正確なエネルギー範囲を持っていることが示されています。^{[2] [3]}天体の長半径がこの狭い範囲から外れると、軌道は混沌とし、軌道要素が大きく変化します。TNO が発見されると、10% 以上が 2:3 共鳴状態にあることがわかり、ランダムな分布からはほど遠い状態です。現在では、海王星の移動中に共鳴を掃引することで、より広い距離から天体が集められたと考えられています。^[4]最初の TNO が発見されるかなり前に、巨大惑星と小さな粒子の巨大な円盤との相互作用により、角運動量の移動によって木星が内側に移動し、土星、天王星、特に海王星が外側に移動することが示唆されていました。この比較的短い期間に、海王星の共鳴が空間を掃引し、当初は変動していた太陽中心軌道上の天体を共鳴状態に閉じ込めます。 ^[5]

太陽、つまり海王星の ラグランジュ点の近くに、海王星の軌道長半径に似た軌道を描く天体がいくつか発見されている。これらの海王星トロヤ群は、 （木星の）トロヤ小惑星に倣って名付けられ、海王星と1:1の共鳴関係にある。2020年2月現在、28個が知られている。^{[6 ] [ 7]海王星の}L ₅ ラグランジュ点の近くにある天体は5個のみで、そのうち1個の特定は不確実である。その他は海王星のL ₄領域に位置している。^{[8] [7]}さらに、（316179）2010 EN 65はいわゆる「ジャンピングトロヤ群」で、現在はL ₄周辺の振動からL ₃領域を経由してL ₅周辺の振動に移行している。^[9]

_{トロイの木馬が}L4で首位

L5のトロイの木馬を_追跡

39.4 AU の 2:3 共鳴は、共鳴天体の中では圧倒的に支配的なカテゴリーです。2020 年 2 月現在、このカテゴリーには 383 の確認済み天体と 99 の可能性のある天体 ( (175113) 2004 PF 115など) が含まれています。^{[6]この 383 の確認済みプルティノのうち、338 は}Deep Ecliptic Surveyによるシミュレーションで軌道が確定しています。^{[7]この共鳴軌道をたどる天体は、最初に発見されたそのような天体である}冥王星にちなんでプルティノと名付けられています。番号が付けられた大型のプルティノには以下のものがあります。

2020年2月現在、47個の天体が42.2AUの海王星と3:5の軌道共鳴関係にあることが確認されている。番号が付けられた天体には以下のものがある: ^{[7] [6]}

もう一つの天体の集団は、太陽から43.6 AU（古典的天体の真ん中）を周回している。これらの天体はかなり小さく（H >6の2つの例外を除く）、そのほとんどが黄道に近い軌道をたどっている。 [ ^7] 2020年2月現在^[update]、55個の4:7共鳴天体の軌道が深黄道サーベイによって確保されている。^{[6] [7]}軌道が確立されている天体には以下のものがある：^[7]

47.7 AU のこの共鳴は、カイパーベルトの外縁であると考えられることが多く、この共鳴にある天体はツーティノと呼ばれることもあります。ツーティノの傾斜角は 15 度未満で、離心率は一般に 0.1 から 0.3 の間です。^[10] 2:1 共鳴のうち不明の数は、海王星の移動中に共鳴によって掃引された微惑星ディスクに由来したものではなく、すでに散乱された状態で捕獲された可能性があります。^[11]

この共鳴状態にある天体はプルティノよりもはるかに少ない。ジョンストンのアーカイブでは99個と数えているが、ディープ・エクリプティック・サーベイによるシミュレーションでは2020年2月時点で73個が確認されている。 ^{[6] [7]} 長期軌道積分では、1:2共鳴は2:3共鳴よりも安定性が低いことが示されており、1:2共鳴状態にある天体のうち40億年を生き延びたのはわずか15%であるのに対し、プルティノでは28%であった。^[10]そのため、トゥーティノはもともとプルティノと同じくらい数が多かったが、それ以降その数はプルティノの数を大幅に下回った可能性がある。^[10]

軌道が確立している天体には、以下のものがある（絶対等級順）。^[6]

2020年2月現在、55.3AUに2:5共鳴天体が57個確認されている。^{[6] [7]}

55.4 AU に軌道が確立されている天体には以下のものがあります。

ジョンストンのアーカイブは、2020年2月現在、62.5AUに1:3共鳴天体を14個数えている。^[6]これらのうち12個はDeep Ecliptic Surveyによると安全である。^[7]

2020年2月現在、限られた数の物体について以下の高次共鳴が確認されている。^[7]

ハウメアは、断続的に海王星と7:12の軌道共鳴状態にあると考えられています。^[13]昇交点 は約460万年の周期で歳差運動をしており、歳差運動周期ごとに2回、つまり230万年ごとに共鳴が途切れますが、10万年ほど経ってから再び共鳴状態に戻ります。^[14]マーク・ブイは、ハウメアは共鳴していないとしています。^[15]${\displaystyle \Omega }$

懸念事項の 1 つは、弱い共鳴が存在する可能性があり、これらの遠方天体の軌道の精度が現在不十分なため、証明が難しいことです。多くの天体は300 年を超える軌道周期を持ち、そのほとんどは数年という比較的短い観測期間でしか観測されていません。遠方にある天体は遠く離れており、背景の星に対してゆっくりと移動するため、共鳴が真実であるか単なる偶然であるかを自信を持って確認できるほど遠くの軌道が正確に決定されるまでには数十年かかる可能性があります。真の共鳴は滑らかに振動しますが、偶然の近い共鳴は循環します。^{[引用が必要]} (正式な定義に向けてを参照)

2007年にエメリャネンコとキセレワが行ったシミュレーションでは、(131696) 2001 XT 254が海王星と3:7の共鳴で振動していることが示されています。^[16]この振動は1億年から数十億年未満で安定する可能性があります。^[16]

エメリャネンコとキセレワは、(48639) 1995 TL 8が海王星と3:7の共鳴状態にある確率は1%未満であるが、この共鳴付近で周回していることも示している。^[16]

TNO のクラスには、普遍的に合意された正確な定義がなく、境界はしばしば不明瞭で、共鳴の概念は正確に定義されていません。Deep Ecliptic Survey は、 4 つの巨大惑星すべてからの複合摂動下での軌道の長期順方向積分に基づいて、正式に定義された力学クラスを導入しました。(古典的な KBO の正式な定義も参照)

一般的に、平均運動共鳴は、次のような軌道周期だけでなく、

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

ここで、pとqは小さな整数、λとλN_はそれぞれ天体と海王星の平均経度ですが、近日点の経度と交点の経度も含まれることがあります（基本的な例については、軌道共鳴を参照してください）。

ある物体が共鳴するとは、いくつかの小さな整数（p,q,n,m,r,s）に対して、以下に定義される引数（角度）が振動する（つまり有界である）場合である。^[17]

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

ここで、 は近日点の経度、は昇交点の経度であり、海王星（下付き文字「N」付き）と共鳴天体（下付き文字なし） の経度です。${\displaystyle \varpi }$${\displaystyle \Omega }$

ここでの「振動」という用語は、角度がある値の周りで周期的に振動することを意味し、角度が0から360°までのすべての値を取ることができる循環とは対照的です。たとえば、冥王星の場合、共鳴角は約86.6°の振幅で約180°の振動角を持ち、つまり角度は93.4°から266.6°まで周期的に変化します。^[18]${\displaystyle \phi }$

深黄道探査中に発見されたすべての新しいプルティノは、

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

冥王星の平均運動共鳴に似ています。

より一般的には、この2:3共鳴は、安定軌道につながることが証明されている共鳴p:(p+1)（例えば1:2、2:3、3:4）の一例である。^[4]共鳴角は

${\displaystyle \phi ={\rm {p\cdot \lambda -{\rm {q\cdot \lambda _{\rm {N}}-({\rm {p-{\rm {q)\cdot \varpi }}}}}}}}}$

この場合、共鳴角の重要性は、物体が近日点にあるとき、すなわち、 ${\displaystyle \phi \,}$${\displaystyle \lambda =\varpi }$

${\displaystyle \phi =q\cdot (\varpi -\lambda _{\rm {N}})}$

すなわち、天体の近日点から海王星までの距離の尺度を与える。^[4] 天体は、0°から遠い角度で振動する限り、近日点を海王星から遠ざけることで摂動から保護される。 ${\displaystyle \phi \,}$${\displaystyle \phi \,}$

軌道要素の精度には限界があるため、不確実性により誤検知（共鳴していない軌道を共鳴軌道として分類する）が生じる可能性がある。最近のアプローチ^{[19]では、現在の}最適軌道だけでなく、観測データの不確実性に対応する 2 つの追加軌道も考慮する。簡単に言えば、このアルゴリズムは、観測の誤差の結果として実際の軌道が最適軌道と異なる場合に、オブジェクトが依然として共鳴軌道として分類されるかどうかを判定する。3 つの軌道は、1,000 万年にわたって数値的に積分される。3 つの軌道すべてが共鳴軌道のままである場合（つまり、共鳴引数が振動している場合、正式な定義を参照）、共鳴オブジェクトとして分類されることは確実であると見なされる。^[19] 3 つの軌道のうち 2 つだけが振動している場合、オブジェクトはおそらく共鳴軌道であると分類される。最後に、1 つの軌道だけがテストに合格した場合、共鳴の近傍が記録され、データを改善するためにさらなる観測が促される。^[19]このアルゴリズムで使用される半長軸の2つの極端な値は、最大3標準偏差のデータの不確実性に対応するように決定されます。このような半長軸値の範囲は、いくつかの仮定の下で、実際の軌道がこの範囲を超える確率を0.3％未満に減らす必要があります。この方法は、少なくとも3つの衝にまたがる観測を持つオブジェクトに適用できます。^[19]

• John K. Davies、Luis H. Barrera 編 (2004-08-03)。エッジワース・カイパーベルトの 10 年ごとの最初のレビュー。Springer。ISBN 1-4020-1781-2。
• EI Chiang、JR Lovering、RL Millis、MW Buie、LH Wasserman、KJ Meech (2003 年 6 月)。「カイパーベルトの共鳴族と世俗族」。地球、月、惑星。92 ( 1–4 )。Springer Netherlands: 49–62。arXiv : astro - ph/0309250。Bibcode :2003EM&P...92...49C。doi :10.1023/B:MOON.0000031924.20073.d0。S2CID 189905712  。
• EI Chiang; AB Jordan; RL Millis; MW Buie; LH Wasserman; JL Elliot; SD Kern; DE Trilling; KJ Meech & RM Wagner (2003-01-21). 「カイパーベルトの共鳴占拠: 5:2 およびトロヤ共鳴の事例」.天文学ジャーナル. 126 (1): 430–443. arXiv : astro-ph/0301458 . Bibcode :2003AJ....126..430C. doi :10.1086/375207. S2CID  54079935.
• Renu Malhotra. 「デブリディスクとしてのカイパーベルト」(PDF) 。2005 年 10 月 22 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ) (HTML として)が必要です