Structure globale en forme d'arche des collecteurs spatiaux dans le système solaire. Cartes FLI à court terme de la région comprise entre le bord extérieur de la ceinture d'astéroïdes principale à 3 UA et juste au-delà du demi-grand axe d'Uranus à 20 UA, pour toutes les excentricités elliptiques, adopter un modèle dynamique dans ORBIT9 qui contient les sept planètes principales (de Vénus à Neptune) comme perturbateurs (en haut) ou Jupiter comme seul perturbateur (en bas). Les orbites situées sur des variétés stables apparaissent avec une couleur plus claire, tandis que les régions plus sombres correspondent à des trajectoires hors d'elles. Trois séries de courbes limites dynamiques sont superposées sur la carte dans le panneau inférieur correspondant aux lignes du périhélie (qj) et de l'aphélie (Qj) de Jupiter (mince, vert), le contour de Jupiter Tisserand paramètre Tj =3 qui dichotomise astéroïdes et comètes (épais, jaune), et les variétés stables de L1 (WsL1) et L2 (WsL2) (en pointillés, blanche). La carte échantillonne plus de 2 millions de valeurs initiales de (a, e), où l'inclinaison initiale i, argument du périhélie , et la longitude du nœud ascendant Ω sont fixées égales à celle de Jupiter à l'époque initiale du 30 septembre 2012. L'anomalie moyenne initiale des TP est fixée à 60° en avant de Jupiter dans son orbite pour refléter la configuration « grecque » L4. une, demi-grand axe; e, excentricité. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abd1313
Les collecteurs spatiaux forment les limites des canaux dynamiques pour assurer un transport rapide vers les parties les plus internes et les plus externes du système solaire. Ces caractéristiques sont un élément important de la navigation des engins spatiaux et de la conception des missions, offrant une fenêtre sur la nature apparemment erratique des comètes et de leurs trajectoires. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Nataša Todorović et une équipe de chercheurs en Serbie et aux États-Unis ont révélé une structure ornementale remarquable et inattendue de variétés dans le système solaire. Cette architecture était reliée à une série d'arcs s'étendant de la ceinture d'astéroïdes à Uranus et au-delà. Les variétés les plus fortes ont été trouvées liées à Jupiter avec un contrôle profond sur les petits corps à travers une large gamme d'énergies à trois corps jusqu'alors inconnue. Les orbites de ces variétés ont rencontré Jupiter sur des échelles de temps rapides pour se transformer en trajectoires de collision ou d'échappement pour atteindre la distance de Neptune en une décennie seulement. De cette façon, un peu comme une route céleste, toutes les planètes génèrent des collecteurs similaires à travers le système solaire pour un transport rapide à travers.
Naviguer dans le chaos dans le système solaire
Dans ce travail, Todorović et al. indicateur de Lyapunov rapide utilisé (FLI); une quantité dynamique utilisée pour détecter le chaos, détecter la présence et la structure globale des variétés spatiales. Ils ont capturé les instabilités agissant sur des échelles de temps orbitales avec l'outil numérique sensible et bien établi pour définir les régions de transport rapide dans le système solaire. Le chaos dans le système solaire est inextricablement lié à la stabilité ou à l'instabilité des variétés formant des structures complexes dont l'interaction mutuelle peut permettre un transport chaotique. Les propriétés générales peuvent être décrites par rapport au plan, problème circulaire et restreint à trois corps (PCR3BP) approchant le mouvement des corps célestes naturels et artificiels. Bien que ce concept soit loin d'être entièrement compris, les connaissances géométriques modernes ont révolutionné les trajectoires de conception des engins spatiaux et ont aidé à construire de nouveaux observatoires astronomiques spatiaux pour transformer notre compréhension du cosmos.
La dynamique des variétés spatiales qui permettent le grand tour du système solaire via un réseau de transport interplanétaire a également contribué aux mécanismes de transit des comètes de la famille Jupiter (JFC). Les JFC sont les produits évolutifs d'objets transneptuniens qui continuent d'évoluer à travers la région des planètes géantes en tant que Centaures et dans le système solaire interne. Les corps cométaires et astéroïdes occupant des orbites dans la région entre Jupiter et Neptune et les Centaures sont dynamiques et instables avec des durées de vie de quelques millions d'années seulement. Les astrophysiciens utilisent généralement des échelles de temps très diverses pour modéliser des voies dynamiques détaillées qui relient différents fuseaux horaires du système solaire externe.
Une image plus fine des collecteurs avec des objets en collision et en fuite le long d'eux. Un très résolu, 1500 × 1500 points, Carte jovienne de distance minimale concentrée près de la plus grande structure chaotique en forme de V, réalisé avec Mercurius avec un pas de temps intégrateur de 0,01 (équivalent à environ une demi-journée). La carte contient une image plus fine des variétés, où l'on remarque de petites sous-structures s'enroulant autour des principales. Sur la carte de stabilité se superposent les orbites qui entrent en collision avec Jupiter (points verts) et toutes les trajectoires de fuite (points roses), dont les transitions dynamiques de l'elliptique à l'hyperbolique ont été encore validées en augmentant considérablement la tolérance au sein de Mercurius (en utilisant une taille de pas de 1 min). Des exemples d'états évolutifs de quatre conditions initiales (étoiles rouges) situées sur les structures sont indiqués en coordonnées cartésiennes dans les légendes, où l'orbite héliocentrique de Jupiter est également indiquée à titre de référence (gris). La trajectoire d'échappement spécifique dans le coin supérieur droit a été étudiée plus en détail à l'aide du modèle plus réaliste à sept planètes, constatant qu'il atteint en effet plus de 100 UA en moins d'un siècle dans son évolution illimitée. Des animations d'orbites de collision et d'échappement sont données. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
Todorović et al. a examiné l'évolution à court terme (100 ans) des particules d'essai sans masse (TP) situées sur les orbitales entre la ceinture d'astéroïdes principale et Uranus. Ils ont présenté les données dans des cartes dynamiques basées sur deux packages d'intégration d'orbite largement utilisés ORBIT9 et REBOUND tout en développant un modèle de force contenant sept planètes majeures de Vénus à Neptune en tant que perturbateurs aux côtés du système à trois corps Soleil/Jupiter/test particule. Les astéroïdes co-orbitaux connus sous le nom de « Grecs » et « troyens » ont suivi la même orbite que Jupiter mais ont mené ou suivi la planète d'une distance angulaire.
L'équipe a calculé le FLI (indicateur de Lyapunov rapide) sur 100 ans pour une grande grille, où les régions plus claires représentaient des orbites situées sur des variétés stables et les régions plus sombres représentaient celles qui en étaient éloignées. Les chercheurs ont noté l'émergence d'une grande structure chaotique "en forme de V" connectée à une série d'arcs à des distances héliocentriques croissantes et suivant presque la ligne Périhélie de Jupiter. Les variétés stables ont conduit à un mouvement chaotique en raison d'interactions complexes avec les variétés instables correspondantes. Ces variétés étaient analytiquement très complexes. Par ailleurs, comme prévu, Jupiter était le perturbateur dominant du système et responsable de la majorité de la riche architecture chaotique, suivie jusqu'au-delà de Neptune.
Aspect global des variétés spatiales dans un siècle Cartes joviennes de distance minimale calculées sur environ dix révolutions orbitales de Jupiter avec chaque image de l'animation montrant comment les arches et la sous-structure foliée se manifestent sur des incréments de trois ans. Chaque carte échantillonne quatre millions de valeurs initiales de demi-grand axe et d'excentricité, où l'inclinaison initiale, argument du périhélie, et la longitude du nœud ascendant des TP sont fixées égales à celle de Jupiter à l'époque initiale du 30 septembre 2012. L'anomalie moyenne initiale des TP est fixée à 60° en avant de Jupiter dans son orbite pour refléter la configuration grecque L4. Deux contours d'énergie à trois corps Soleil-Jupiter-TP se superposent, avec -1.5194 correspondant à la valeur du point de Lagrange L1. La carte couvre le bord intérieur de la ceinture d'astéroïdes principale à 2 UA jusqu'à juste au-delà du demi-grand axe d'Uranus à 20 UA. Le package Mercurius dans REBOUND a été utilisé sous le modèle à trois corps Sun-Jupiter-TP. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
Pour comprendre la dynamique de la physique de la variété et de la rencontre rapprochée dans le système, Todorović et al. utilisé des progiciels pour suivre avec précision les évolutions grâce à des approches rapprochées avec Jupiter. En utilisant des cartes de distance minimale de Jovian pour les configurations orbitales grecques et troyennes, l'équipe a montré comment toutes les orbites le long des structures chaotiques sont entrées dans la sphère de Jupiter's Hill au cours de leur évolution. Pour comprendre la dynamique des rencontres rapprochées, l'équipe a étudié les points d'équilibre de Lagrange (L
Petits corps situés sur des collecteurs qui conduisent à une collision rapide avec Jupiter évolution du cadre inertiel héliocentrique-écliptique des 31 TP en collision. La collision la plus rapide s'est produite en un peu plus de sept ans et la durée moyenne de collision était d'environ 36 ans. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abd1313
Parmi les particules tests (TP) approchant Jupiter, quelques dizaines sont directement entrés en collision et leurs distances jovicentriques sont devenues inférieures au rayon de Jupiter. Près de 2000 TP sont passés d'orbites elliptiques liées à des orbites d'échappement hyperboliques non liées à la suite de rencontres induites par de multiples. Les orbites de transition ont ensuite atteint Uranus et Neptune en 38 et 46 ans; les particules de test les plus rapides sont arrivées dans la région neptunienne en moins d'une décennie. La diffusion ou la collision avec Jupiter était d'au moins plusieurs ordres de grandeur plus courte que celles précédemment rapportées. Todorović et al. a ensuite observé la trajectoire de la comète 39P/Oterma sur la base de travaux antérieurs menés il y a plus de deux décennies, où la comète suivait de près les structures de variétés invariantes associées à L
Petits corps situés sur des variétés qui conduisent à une évasion rapide du système solaire Évolution du cadre inertiel héliocentrique-écliptique d'un sous-ensemble de 38 TP en fuite. Ces orbites de transition elliptique à hyperbolique atteignent les distances d'Uranus et de Neptune en 38 et 44 ans en moyenne, respectivement, et 63% d'entre eux sont expulsés à 100 UA au cours d'un siècle. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abd1313 
De cette façon, Nataša Todorović et ses collègues ont signalé des variétés qui agissent sur des échelles de temps orbitales de plusieurs décennies dans ce travail, contrairement aux dizaines à des milliers de millions de révolutions orbitales qui sont traditionnellement considérées. Des informations supplémentaires grâce à des études quantitatives fourniront des informations plus approfondies sur le transport entre les deux ceintures de corps mineurs et la région de la planète terrestre. L'équipe prévoit de combiner ces observations avec la théorie et les simulations pour améliorer la compréhension existante du transport céleste. L'effet observé de Jupiter induit, le transport à grande échelle sur une échelle de temps décennale n'est pas une surprise, puisque les missions spatiales ont été historiquement conçues pour le transport assisté par Jupiter, y compris les survols de Voyager 1 et Voyager 2.
