[论文解读] 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 3

一句话总结

本文研究了冥王星的卫星查戎是否可通过潮汐阻尼作用，经由长期相互作用将卡戎的偏心率转移至其自身，从而通过与冥王星的潮汐作用使冥卫一和冥卫二的轨道圆化。然而，2:1 和 3:1 的平均运动共振强迫破坏了该机制，使其难以解释当前的低偏心率；作者建议，这些卫星更可能是在原位形成时即具有原始低偏心率，而冥卫二观测到的偏心率可能源于其与冥卫一之间的3:2共振。

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.

研究动机与目标

• 调查查戎的潮汐阻尼是否能解释冥王星小卫星冥卫一与冥卫二的低偏心率及共面性。
• 评估长期相互作用是否能将冥卫一与冥卫二的偏心率转移至查戎，随后在查戎-冥王星系统中通过潮汐作用实现阻尼。
• 评估冥卫一与查戎之间2:1和3:1共振强迫项对轨道演化及偏心率阻尼的影响。
• 确定冥卫二的观测轨道特性（包括其非零偏心率）是否可由其与冥卫一的相互共振强迫解释。
• 根据冥卫一的观测迁移限制，推导冥王星-查戎系统的潮汐圆化 timescale 约束。

提出的方法

• 使用N体模拟来建模冥王星、查戎和冥卫一的动力学演化，整合潮汐阻尼与共振强迫效应。
• 应用长期摄动理论，推导包含2:1和3:1共振项贡献的偏心率阻尼率解析表达式。
• 通过求解复偏心率矢量的耦合微分方程，推导冥卫一的等效阻尼率γ3:1，考虑随时间变化的强迫项。
• 利用共振角演化与强迫振幅计算，评估冥卫一因与查戎的2:1共振而产生的迁移速率。
• 建模冥卫一与冥卫二之间的3:2共振相互作用，估算强迫偏心率并与观测值比较。
• 结合数值与解析方法，计算共振强迫对偏心率阻尼与轨道迁移的影响，并与潮汐阻尼 timescale 进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在冥王星直接潮汐作用过弱的前提下，查戎的潮汐阻尼是否能解释冥卫一与冥卫二的低偏心率？
• RQ2 冥卫一与查戎之间2:1和3:1的共振强迫项如何影响通过长期转移实现偏心率阻尼的效率？
• RQ3 冥卫一与冥卫二之间的3:2共振是否能解释冥卫二观测到的非零偏心率0.0052？
• RQ4 冥卫一的观测迁移速度对冥王星-查戎系统潮汐圆化 timescale 施加了何种约束？
• RQ5 考虑到潮汐与共振需求的冲突，Ward & Canup (2006) 提出的强迫共振迁移情景是否可行？

主要发现

• 冥卫一与查戎之间的2:1共振强迫项驱动冥卫一向外迁移，破坏了所提出的偏心率阻尼机制。
• 3:1共振强迫项改变了偏心率阻尼率，甚至可能引发偏心率增长，从而破坏阻尼过程。
• 因此，将偏心率转移至查戎并随后通过潮汐作用阻尼的机制，极不可能解释冥卫一与冥卫二当前的低偏心率。
• 冥卫二的观测本征偏心率（0.0052）与来自其与冥卫一3:2共振的强迫作用定量一致，表明其非零偏心率的起源可能正是该共振。
• 对冥卫一迁移速度的上限限制，意味着冥王星-查戎系统的潮汐圆化 timescale 存在大于10^5年的下限。
• 冥卫一与冥卫二在原位形成时即具有低初始偏心率，仍是解释其当前轨道特性的最合理解释。