Výzkumy v ASU AV ČR (71): Vlastnosti satelitů planetek

Dynamika dvoj- a více-planetek může být pěkně komplikovaná. Podílí se na ní nejen vzájemná přitažlivost obou těles, ale svůj vliv má i gravitace okolních objektů, např. Slunce, povrchové nesymetrie vyvolávající slapy a také negravitační vlivy, např. tlak slunečního záření, raketový efekt zpožděného tepelného vyzařování ohřátého povrchu a další. Z výše jmenovaných je nejpodstatnějším slapové působení.

Slapová síla v dvojplanetkách je druhotným efektem gravitační síly a vzniká proto, že gravitační síla působící od primární složky není v celém objemu sekundáru konstantní. Prostorová rozlehlost sekundáru vede k tomu, že gravitační zrychlení na bližší a vzdálenější straně se mohou výrazně lišit. To vede k deformaci tvaru tělesa: pokud na počátku byl sekundár kulový, působením slapů se objeví dvě protilehlé vybouleniny. V ideálním případě by tyto vybouleniny ležely ve spojnici obou složek, ovšem vstupuje-li na scénu rotace sekundáru, jeho oběh kolem primáru a zpomalení způsobené odezvou materiálu na vyvolanou slapovou výduť, dojde k vychýlení těchto vyboulenin proti spojnici obou složek. A to ani nemluvíme o situaci, kdy sekundár má svým tvarem daleko od koule.

Obecně vzato vede slapové působení ke dvěma efektům. Jednak k tzv. synchronizaci, kdy se ustaví rovnováha v okamžiku, až jedna otočka sekundáru kolem jeho vlastní osy trvá stejně dlouho, jako oběh kolem primáru. Mluvíme o vázané rotaci. A pak dochází k tzv. cirkularizaci dráhy, kdy se původně eliptická trajektorie přemění na téměř dokonale kruhovou. Takový systém označujeme jako dvojplanetku ve spin-orbitální rezonanci 1:1. Protože slapy působí i sekundár na primární těleso, otáčení primárního objektu se také synchronizuje s oběžnou dobou, avšak vzhledem k jeho větší hmotnosti to trvá déle. Ideálního stavu je dosaženo v případě dvojité spin-orbitální rezonance, kdy jsou délky otoček obou těles a jejich vzájemného oběhu stejné. V takovém stavu se ve Sluneční soustavě nachází například trpasličí dvojplaneta Pluto-Charon.

V důsledku nerovnoměrného tvaru se může sekundár v rezonančním stavu kolem rovnovážné polohy kývat, tzv. librovat. Pro librace lze odvodit analytické vztahy zohledňující předpokládané chování materiálu a tyto vztahy pak testovat na reálně pozorovaných dvojplanetkách. Astrofyzikové předtím například odvodili, že ve zmíněné rezonanci 1:1 jsou uvězněny spíše systémy, v nichž tvar sekundáru není příliš protažený. Systémy s podlouhlým sekundárem by naopak měly vykazovat chaotickou rotaci sekundáru.

K testování takové hypotézy obvykle postačí pozorování i jediné planetky, ale vypovídací hodnota výsledku je nízká. Hodnota studie se dá vylepšit, bude-li se studovat stejnou metodikou celá skupina planetek. P. Pravec z ASU a jeho kolegové z ASU i jiných institucí po celém světě studovali celkově šestačtyřicet dvoj- nebo tříplanetek. K určení rotačního stavu sekundáru a odhadu jeho tvaru (autorům postačil odhad jeho protaženosti) využili analýzu světelných křivek těchto planetek pozorovaných v Ondřejově i jinde. Metodika zpracování fotometrických dat byla vyvinuta v Ondřejově a úspěšně použita v celé řadě minulých studií.

Studovaná skupina byla tvořena čtyřiadvaceti dvoj- nebo trojplanetkami se sekundárem ve spin-orbitální rezonanci, ale nesynchronizovaným primárem, a dvadvacet systémů s nesynchronizovaným sekundárem. Mezi nimi je známo pět těsných dvojplanetek v populaci blízkozemních planetek, tři trojplanetky, tři dvoj- a jedna trojplanetka se sekundáry na dalekých oběžných drahách. Dále je pak známo čtrnáct dvojplanetek dvojitě synchronizovaných.

Pečlivou prací bylo potvrzeno několik očekávaných trendů týkajících se vztahu mezi typem rotace sekundáru a jeho protažením. Synchronizované sekundáry v souladu s předpoklady udržují svojí nejdelší osu poblíž spojnice obou těles. Je zde zřejmá antikorelace mezi výstředností dráhy sekundáru a jeho synchronicitou. Synchronizované planetky obíhají primární složky výhradně po kruhových drahách, zatímco nesynchronizované po drahách eliptických. Některé teoretické předpovědi se naopak nepotvrdily. Nejvýraznější nesoulad byl odhalen u synchronizovaných sekundárů, neboť všechny takové systémy byly nalezeny výhradně ve spin-orbitální rezonanci 1:1, a to bez ohledu na míru podlouhlosti tělesa. Teorie však připouštějí výskyt i jiných rezonancí, např. 2:3 (pro doplnění - v takové rezonanci se vůči Slunci nachází planeta Merkur) a jiných. Žádný ze studovaných systémů nebyl odhalen ve stavu chaotické rotace, který se zejména u podlouhlých sekundárů očekával. Nepřítomnost rezonancí vyššího řádu a chaoticky rotujících sekundárů poukazují na nedostatky v používané teorii slapového působení. Zdá se, že slapy působí mnohem účinněji a tedy rychleji, než si odborníci doteď mysleli. Může to být jednak narušením předpokladu, že všechny odezvy materiálu na slapové působení jsou elastické (vratné). Kdyby byly částečně neelastické, mohly by účinněji absorbovat energii a tak zrychlit slapový vývoj. Nebo hraje roli vnitřní struktura planetek, o nichž panuje přesvědčení, že jde ve skutečnosti o gravitací držené hromady suti. Vnitřní tření mezi jednotlivými částečkami by také mohlo podpořit nutnou disipaci slapových sil.

Autoři tak poukazují na nutnost vyvinutí nových přístupů k popisu spin-orbitálních vazeb, zejména zahrnutím dynamiky slapového momentu a modelu reologie malých těles Sluneční soustavy.

REFERENCE

Pravec, P., Scheirich, P., Kušnirák, P. a kol. Binary asteroid population. 3. Secondary rotations and elongations, Icarus 267 (2016) 267-295

KONTAKT

Mgr. Petr Pravec, Dr.
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR
Email: ppravec@asu.cas.cz

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.