[論文レビュー] The Effect of Charon's Tidal Damping on the Orbits of Pluto's Three Moons

Yoram Lithwick, Yanqin Wu|ArXiv.org|Feb 20, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、Charonによる潮汐減衰が、NixおよびHydraの衛星の軌道を円形化するメカニズムとして、長期間の相互作用によってそれらが偏心率をCharonに移譲し、その後Charon-冥王星系における潮汐によって減衰させることを検討している。しかし、2:1および3:1の運動共鳴による駆動力がこのメカニズムを破壊しており、現在の低偏心率を説明するのは不確かである。代わりに、初期から低偏心率を有する現地形成がより妥当であると考えられる。一方、Hydraの観測された偏心率は、Nixとの3:2共鳴に起因する可能性がある。

ABSTRACT

Pluto's recently discovered minor moons, Nix and Hydra, have almost circular orbits, and are nearly coplanar with Charon, Pluto's major moon. This is surprising because tidal interactions with Pluto are too weak to damp their eccentricities. We consider an alternative possibility: that Nix and Hydra circularize their orbits by exciting Charon's eccentricity via secular interactions, and Charon in turn damps its own eccentricity by tidal interaction with Pluto. The timescale for this process can be less than the age of the Solar System, for plausible tidal parameters and moon masses. However, as we show numerically and analytically, the effects of the 2:1 and 3:1 resonant forcing terms between Nix and Charon complicate this picture. In the presence of Charon's tidal damping, the 2:1 term forces Nix to migrate outward and the 3:1 term changes the eccentricity damping rate, sometimes leading to eccentricity growth. We conclude that this mechanism probably does not explain Nix and Hydra's current orbits. Instead, we suggest that they were formed in-situ with low eccentricities. We also show that an upper limit on Nix's migration speed sets a lower limit on Pluto-Charon's tidal circularization timescale of >10^5 yrs. Moreover, Hydra's observed proper eccentricity may be explained by the 3:2 forcing by Nix.

研究の動機と目的

• 冥王星の小惑星NixおよびHydraの低偏心率および同一平面上にあることの原因として、Charonによる潮汐減衰が説明可能かどうかを調査すること。
• 長期間の相互作用によって、NixおよびHydraの偏心率がCharonに移譲され、その後Charon-冥王星系における潮汐によって減衰するプロセスが成立するかどうかを評価すること。
• NixとCharonの間の2:1および3:1の共鳴駆動項が、軌道進化および偏心率減衰に与える影響を評価すること。
• Hydraの観測された軌道的性質、特に非ゼロの偏心率が、Nixとの相互共鳴駆動によって説明可能かどうかを検討すること。
• Nixの観測された移動速度から、冥王星-Charon系の潮汐円形化 timescale に及ぼす制約を導出すること。

提案手法

• N体シミュレーションを用いて、冥王星、Charon、Nixの動的進化をモデル化し、潮汐減衰と共鳴駆動を組み込む。
• 長期間の摂動理論を適用し、2:1および3:1の共鳴項による寄与を含めた偏心率減衰率の解析的表現を導出する。
• 時間的に変化する駆動を考慮した複素偏心率ベクトルの連立微分方程式を解くことにより、Nixの有効減衰率γ3:1を導出する。
• 共鳴角の進化と駆動振幅の計算を用いて、Charonとの2:1共鳴によるNixの移動速度を評価する。
• NixとHydraの間の3:2共鳴相互作用をモデル化し、強制偏心率を推定し、観測値と比較する。
• 数値的および解析的手段を用いて、共鳴駆動が偏心率減衰および軌道移動に与える影響を計算し、潮汐減衰 timescale と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的な冥王星との潮汐相互作用が弱いため、Charonによる潮汐減衰がNixおよびHydraの低偏心率を説明可能かどうか？
• RQ2 NixとCharonの間の2:1および3:1の共鳴駆動項が、長期間的移譲による偏心率減衰の効率に与える影響は？
• RQ3 NixとHydraの3:2共鳴が、Hydraの観測された非ゼロの偏心率0.0052を説明できるか？
• RQ4 Nixの観測された移動速度から、冥王星-Charon系の潮汐円形化 timescale に及ぼす制約は？
• RQ5 Ward & Canup (2006) が提唱した強制的共鳴移動シナリオは、潮汐と共鳴の要件が矛盾する状況下でも成立可能か？

主な発見

• NixとCharonの間の2:1共鳴駆動項が、Nixの外向き移動を引き起こし、偏心率減衰メカニズムを破壊する。
• 3:1共鳴駆動項は偏心率減衰率を変化させ、場合によっては偏心率の増大を引き起こし、減衰プロセスを損なう。
• したがって、偏心率をCharonに移譲し、その後潮汐減衰させるというメカニズムは、NixおよびHydraの現在の低偏心率を説明するには不適切である。
• Hydraの観測された固有偏心率（0.0052）は、Nixとの3:2共鳴による駆動と定量的に整合しており、非ゼロの偏心率の起源としてこの共鳴が妥当であると考えられる。
• Nixの移動速度の上限から、冥王星-Charon系の潮汐円形化 timescale に下限値（>10^5年）が導かれる。
• NixおよびHydraが初期から低偏心率を有する形で現地で形成されたという説明が、現在の軌道的性質を説明する最も妥当な解釈である。