Astronomie

Combien de satellites orbitent autour de leur planète plus vite que la planète ne tourne ?

Combien de satellites orbitent autour de leur planète plus vite que la planète ne tourne ?


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Phobos est si proche de Mars qu'il orbite autour de Mars beaucoup plus vite que Mars ne tourne. Cela signifie qu'il se lève à l'ouest et se couche à l'est, même si son orbite est prograde.

Existe-t-il d'autres satellites naturels connus qui orbitent autour de leur planète plus rapidement que la planète ne tourne, ou Phobos est-il unique à cet égard ?


Uranus tourne une fois tous les 0,718 jours. 11 de ses satellites ont une période orbitale plus courte. Ce sont des satellites intérieurs d'Uranus qui sont à peu près dans le plan équatorial d'Uranus. Je ne comprends pas très bien dans quelle direction ils orbitent par rapport à la direction dans laquelle Uranus tourne.

Neptune tourne une fois tous les 0,671 jours. 5 de ses satellites ont une période orbitale plus courte et une prograde d'orbite.

Jupiter tourne une fois toutes les 10 heures. 2 de ses satellites ont une période orbitale plus courte et un prograde d'orbite.

Saturne tourne une fois tous les 0,4 jours et aucun de ses satellites n'orbite plus vite que cela.

Phobos n'est donc pas seul dans son cas. Autour de Mars, Jupiter et Neptune (et peut-être Uranus), il y a des lunes qui orbitent si vite qu'elles se lèvent à l'ouest et se couchent à l'est.


Jupiter a une période ou un jour de rotation sidérale de 9,925 heures.

https://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter

Les deux lunes les plus à l'intérieur de Jupiter, Métis et Adrastea, ont des périodes orbitales de 7 heures 10 minutes 16 secondes et 7 heures 15 minutes 21 secondes respectivement.

https://en.wikipedia.org/wiki/Moons_of_Jupiter#List

Saturne a une période de rotation sidérale ou un jour de 10 heures 33 minutes 38 secondes, soit 0,4400231 jours terrestres.

https://en.wikipedia.org/wiki/Saturne

La lune confirmée la plus interne, S/2009 S1, a une période orbitale de 0,47 jour terrestre, ce qui est plus long que le jour de Saturne.

https://en.wikipedia.org/wiki/Moons_of_Saturn#List

J'ai donc vérifié les lunes de deux des planètes géantes, laissant deux planètes géantes, Uranus et Neptune, à vérifier.

Je note qu'un certain nombre d'objets du système solaire qui ne sont pas classés comme des planètes, mais comme des planètes naines, des objets transneptuniens, des astéroïdes, etc., ont été découverts comme ayant des lunes. Si vous souhaitez savoir si l'un d'entre eux est en orbite à moins d'un jour de sa primaire, sachez que :

Parmi les objets de notre système solaire connus pour avoir des satellites naturels, il y en a 76 dans la ceinture d'astéroïdes (cinq avec deux chacun), quatre chevaux de Troie de Jupiter, 39 objets proches de la Terre (deux avec deux satellites chacun) et 14 Mars-crossers. 2 Il existe également 84 satellites naturels connus d'objets transneptuniens.2 Quelque 150 petits corps supplémentaires ont été observés dans les anneaux de Saturne, mais seuls quelques-uns ont été suivis assez longtemps pour établir des orbites.

https://en.wikipedia.org/wiki/Natural_satellite#Natural_satellites_of_the_Solar_System

Il y aurait donc beaucoup de vérifications à faire pour trouver lequel d'entre eux pourrait orbiter plus vite qu'un jour de leur primaire.


Comment les satellites restent en orbite

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Un satellite artificiel est une merveille de technologie et d'ingénierie. La seule chose comparable à l'exploit en termes technologiques est le savoir-faire scientifique qui permet de placer et de maintenir une personne en orbite autour de la Terre. Considérez simplement ce que les scientifiques doivent comprendre pour que cela se produise : d'abord, il y a la gravité, puis une connaissance approfondie de la physique, et bien sûr de la nature des orbites elles-mêmes. Donc vraiment, la question de Comment les satellites restent en orbite, est une question multidisciplinaire qui implique une grande connaissance technique et académique.

Premièrement, pour comprendre comment un satellite orbite autour de la Terre, il est important de comprendre ce qu'implique l'orbite. Johann Kepler a été le premier à décrire avec précision la forme mathématique des orbites des planètes. Alors que les orbites des planètes autour du Soleil et de la Lune autour de la Terre étaient considérées comme parfaitement circulaires, Kepler est tombé sur le concept d'orbites elliptiques. Pour qu'un objet reste en orbite autour de la Terre, il doit avoir une vitesse suffisante pour retracer sa trajectoire. C'est aussi vrai pour un satellite naturel que pour un satellite artificiel. À partir de la découverte de Kepler, les scientifiques ont également pu déduire que plus un satellite est proche d'un objet, plus la force d'attraction est forte, donc il doit voyager plus vite afin de maintenir son orbite.

Vient ensuite une compréhension de la gravité elle-même. Tous les objets possèdent un champ gravitationnel, mais ce n'est que dans le cas d'objets particulièrement gros (c'est-à-dire les planètes) que cette force est ressentie. Dans le cas de la Terre, l'attraction gravitationnelle est calculée à 9,8 m/s2. Cependant, il s'agit d'un cas particulier à la surface de la planète. Lors du calcul d'objets en orbite autour de la Terre, la formule v=(GM/R)1/2 s'applique, où v est la vitesse du satellite, G est la constante gravitationnelle, M est la masse de la planète et R est la distance du centre de la Terre. En se basant sur cette formule, nous pouvons voir que la vitesse requise pour l'orbite est égale à la racine carrée de la distance de l'objet au centre de la Terre multipliée par l'accélération due à la gravité à cette distance. Donc, si nous voulions placer un satellite sur une orbite circulaire à 500 km au-dessus de la surface (ce que les scientifiques appelleraient une orbite terrestre basse LEO), il faudrait une vitesse de ((6,67 x 10-11 * 6,0 x 1024)/( 6900000))1/2 ou 7615,77 m/s. Plus l'altitude est élevée, moins la vitesse est nécessaire pour maintenir l'orbite.

En réalité, la capacité d'un satellite à maintenir son orbite se résume à un équilibre entre deux facteurs : sa vitesse (ou la vitesse à laquelle il se déplacerait en ligne droite) et l'attraction gravitationnelle entre le satellite et la planète sur laquelle il orbite. Plus l'orbite est élevée, moins la vitesse est nécessaire. Plus l'orbite est proche, plus elle doit se déplacer rapidement pour s'assurer qu'elle ne retombe pas sur Terre.

Nous avons écrit de nombreux articles sur les satellites pour Universe Today. Voici un article sur les satellites artificiels et voici un article sur l'orbite géosynchrone.

Nous avons également enregistré un épisode d'Astronomy Cast sur la navette spatiale. Écoutez ici, Épisode 127 : La navette spatiale américaine.


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@anon350190 (Post 64): Faux. Le GPS utilise des satellites. anon352897 26 octobre 2013

C'est incroyable qu'avec toute la technologie que nous avons flottant dans l'espace, le monde soit limité à ce que les gouvernements peuvent voir. Google nous montre certaines choses mais le gouvernement voit tout en temps réel et je veux voir la terre en temps réel. Je veux zoomer sur l'océan et voir des baleines bouger, je veux voir Tokyo en direct la nuit et regarder les glaciers dans les régions du pôle Nord. Je veux voir le vrai mouvement des vagues sur les plages d'Australie. Ces choses peuvent être faites et ceux qui ont payé pour qu'elles soient faites ne sont pas autorisés à profiter de ce qu'elles offrent. anon350190 2 octobre 2013

Allez voir si vous pouvez trouver des images crédibles de la Terre depuis l'espace. Je n'en trouve pas, donc je pense que nous n'avons peut-être pas de satellites là-haut. Pourquoi avoir des avions ou des sous-marins furtifs alors que les satellites les verraient ? La télévision utilise un système appelé skywave et ne reçoit rien de l'espace. Le GPS utilise Lowran, qui a été développé pendant la Seconde Guerre mondiale, et non les satellites. anon339326 hier

Même si les satellites n'épuisent pas l'ozone lorsqu'ils sont placés en orbite, est-il possible qu'ils épuisent l'ozone en étant en orbite ? (par exemple, peut-être qu'ils réfléchissent et concentrent la lumière du soleil sur certaines parties de l'atmosphère, comme une lentille placée dans le soleil concentre suffisamment la lumière du soleil pour brûler un tout à travers les choses). Il est clair que chaque satellite en orbite renvoie également des signaux électromagnétiques (micro-ondes ?) vers la Terre, savons-nous que ceux-ci ne perturbent pas la couche d'ozone ? anon298426 20 octobre 2012

@anon38591: Tout trou dans la couche d'ozone se répare rapidement à une vitesse plus rapide que n'importe quel véhicule/engin, connu du public. Par conséquent, toute rupture temporaire de l'ozone via n'importe quel objet est très insignifiante. C'est comme prendre une fusée ratée et l'écraser dans la mer pour faire un trou dans l'eau. Cependant, l'eau se referme rapidement derrière la fusée lorsqu'elle tombe. Par conséquent, vous n'avez pas à vous inquiéter.

La seule façon dont notre ozone pourrait être complètement détruit est si quelque chose de massif arrache l'ozone, auquel cas cet objet massif causerait plus de problèmes que notre ozone. Et nous l'aurons vu venir bien avant qu'il n'arrive. anon298424 20 octobre 2012

@anon44975: Satellites fonctionnant à l'énergie solaire, c'est pourquoi ils durent aussi longtemps. En ce qui concerne la quantité d'énergie solaire qu'il absorbe et utilise un ordre pour fonctionner de manière optimale, c'est une question à laquelle je ne peux malheureusement pas répondre. il y a 14 heures

Question 1 : Quelle est actuellement la masse totale des satellites artificiels dans l'espace, y compris tous les contenus tels que les personnes, l'air et les fournitures ? En d'autres termes, quelle quantité de la masse terrestre a été envoyée en orbite ?

Question 2 : Quelle est la masse maximale que nous pouvons mettre dans l'espace avant que la gravité terrestre ne passe de 9,801 ? anon190931 27 juin 2011

ces satellites pourraient-ils causer le cancer ? Et les débris spatiaux ? anon162692 24 mars 2011

Combien de satellites de navigation gravitent autour de la terre ? anon150215 7 février 2011

Pour info uniquement -- Dans votre réponse à la question " combien de satellites sont en orbite autour de la terre ", il est fait référence à " U.S. Réseau de surveillance spatiale (SSN). Cependant, lorsque j'ai cliqué sur "SSN" pour son lien, cela m'a amené à la description de WiseGEEKs du "Numéro de sécurité sociale". Bonne journée. anon148613 2 février 2011

est le temps extrême causé par l'interaction entre

la gravité terrestre et les satellites artificiels qui

sont chaotiques ? (ne peut pas être intégré numériquement) anon124576 6 novembre 2010

@anon83432: Si vous le relisez, il indique clairement le plus gros satellite artificiel. anon120753 21 octobre 2010

OK, ce que les gens ne vous disent pas, c'est que la couche d'ozone peut être détruite avec de l'eau mais elle se répare avec le temps. anon106416 25 août 2010

à propos de la légalité de l'"espionnage" : l'orbite (et l'espace extra-atmosphérique) ne relèvent pas des lois du pays au-dessus duquel ils survoleraient ou passeraient.

Je suis sûr que certains décrets de propriété ont été mis en avant. Je ne connais pas le sujet. Peut-être que quelqu'un pourra nous éclairer. anon83519 11 mai 2010

il est légal de nous espionner parce que nous avons autorisé le passage de choses comme la loi sur les patriotes, la loi sur la sécurité intérieure, etc. Tant que nous attrapons ces terroristes. Je vais rechercher les déclarations de revenus annuelles de ces sociétés de lancement. Je parie que c'est une très bonne affaire. anon83479 11 mai 2010

quelles nouvelles entreprises ont lancé des satellites cette année 2010 ? Faites-moi savoir, les gens! 11 mai 2010

L'affaire de récupérer les satellites perdus et non fonctionnels. Sera-ce un spinner d'argent? Réfléchissons. 11 mai 2010

En fait, le plus gros satellite en orbite terrestre est la Lune, pas la station spatiale internationale. 11 mai 2010

Existe-t-il des satellites naturels autres que la lune qui orbitent autour de la terre ? Vous aimez les rochers de l'espace ? anon77718 15 avril 2010

Peut-être que tous ces satellites sont à l'origine du réchauffement climatique. anon73191 26 mars 2010

Comment se forme réellement une orbite autour d'une planète ? anon70230 12 mars 2010

Qu'arrive-t-il aux satellites qui sont terminés? anon59854 10 janvier 2010

Combien d'entreprises travaillent actuellement sur l'industrie des satellites (et aussi celle connectée au programme gouvernemental) dans le monde ?

Merci beaucoup d'avance. anon57755 27 décembre 2009

En fait, seuls les États-Unis ont environ 560 satellites en orbite

Mais la vérité est qu'il y a actuellement 2 271 satellites en orbite autour de la Terre. La Russie possède le plus grand nombre de satellites en orbite (1 324 satellites), suivie des États-Unis avec 658 satellites. anon55581 8 décembre 2009

Le lancement du satellite ne provoque pas d'appauvrissement de la couche d'ozone, car la grande majorité des fusées utilisent de l'O2, du H2 et du H2O2 et d'autres combustibles non fossiles pour le propulseur de lancement. Les sous-produits de ceux-ci sont uniquement l'eau et l'air. Cela ne conduit à aucun trou dans la couche d'ozone.

De plus, les satellites simplement par leur emplacement ne peuvent pas provoquer un trou dans la couche d'ozone, pas plus que vous nager dans un lac ne causerait un trou dans l'eau. Lorsque vous vous déplacez, l'espace que vous venez d'occuper est maintenant rempli d'eau. J'espère que cela aidera à éliminer la confusion du trou d'ozone. anon54169 27 novembre 2009

Pour ceux qui se demandent si les satellites provoquent une propagation dans le trou dans l'ozone. Pas vraiment.

Les fusées peuvent causer des problèmes, mais la plupart des satellites sont au-dessus de l'atmosphère, juste à l'emplacement de l'attraction orbitale de la terre. La plupart sont alimentés par des panneaux solaires et l'orbite est fournie par la gravité terrestre. Il y a quelques satellites qui ont des boosters pour contrôler les mouvements, mais ceux-ci appartiennent généralement aux gouvernements car ils pourraient avoir besoin de changer soudainement d'emplacement.

De nombreux satellites peuvent effectuer leur travail en utilisant simplement l'attraction orbitale de la Terre, car ils ont généralement des satellites frères qui communiquent et fournissent une assistance dans leurs tâches. anon48454 12 octobre 2009

La définition du satellite ici est tout ce qui dépasse 10 cm de diamètre. Donc, pour toute expérience qui a un tas de petits satellites qui peuvent être libérés de la navette ou d'une fusée automatisée, chacun d'entre eux compte. Il pourrait donc y avoir une centaine de satellites (même petits) libérés par une seule mission fusée/navette. N'oubliez pas que tous les débris spatiaux sont également surnommés un satellite (encore une fois, tant qu'ils mesurent plus de 10 cm), ce qui pourrait également augmenter le nombre. -Timmy anon47559 5 octobre 2009

pourquoi est-il légal pour le gouvernement de nous espionner ? anon44975 12 septembre 2009

Je suis un étudiant en électronique. Je travaillais sur ma thèse. Veuillez m'envoyer une liste d'informations sur les satellites encore en orbite, avec des paramètres importants.

Ceux-ci incluent :( poids du satellite mission de l'orbite du satellite nom du satellite) avec la quantité d'énergie électrique utilisée (en watts) dans ce satellite.

quantité d'énergie électrique utilisée [w] orbite nom du satellite mission du satellite poids du satellite nom du satellite 1700 GEO ? expédition de 2200KG TDRS. anon43055 25 août 2009

Il y a 560 satellites qui fonctionnent comme on le souhaite en orbite, donc 560 satellites artificiels avec l'utilisation souhaitée, soit 1000 satellites par an. La plupart des lancements n'atteignent pas l'orbite souhaitée et/ou sont heurtés par un objet en orbite autour de la terre (roches ou autres satellites).

Trois par jour est approximativement correct puisque les satellites commerciaux sont lancés pour remplacer les modèles plus anciens et la plupart n'atteignent pas l'orbite souhaitée, donc un relancement aura lieu. De plus, trois par jour est correct car ce n'est pas seulement un satellite lancé par la même station et tous les satellites ne sont pas destinés à orbiter autour de la terre.

Bien que la durée de vie d'un satellite soit comprise entre 5 et 20 ans, la technologie évolue à un rythme plus rapide et les anciens satellites sont généralement terminés. anon38591 27 juillet 2009

combien de trou dans l'ozone fait un satellite ? anon32461 21 mai 2009

comment un pays peut-il lancer 1000 satellites par an ? c'est comme lancer environ 3 satellites par jour !


PLANÈTE PLANÈTE

Cohortes de planètes co-orbitales

Ce poste est une aventure dans la construction du monde. J'utilise des simulations à N corps pour trouver des configurations orbitales de systèmes planétaires qui (je pense) sont complètement nouvelles, assez impressionnantes et inattendues. Il a été inspiré par des discussions avec Charles Choi alors qu'il écrivait cet article.

Tout tourne autour des co-orbitales, l'une de mes configurations orbitales préférées

Dans un système co-orbital, deux planètes ou plus partagent la même orbite. C'est une configuration magnifique et originale. Un peu comme manger du bacon avec de la crème glacée (mon petit-déjeuner de fête préféré) !

La configuration co-orbitale classique comprend une planète massive et une seconde chétive. La petite planète est stable si elle reste à environ 60 degrés devant ou derrière l'orbite massive des uns, aux points de Lagrange stables L4 ou L5.

Points de Lagrange d'une planète massive (bleue) en orbite autour d'une étoile. L4 et L5 sont l'endroit où les planètes co-orbitales sont les plus susceptibles de se trouver. L1, L2 et L3 sont instables. De Wikipédia.

Dans le système solaire, le meilleur exemple de co-orbitales sont Jupiter’s troyen astéroïdes. Ils orbitent autour de L4 et L5 et un fait amusant aurait été capturé par Jupiter lorsque les planètes géantes sont devenues instables (plus ici). La prochaine mission Lucy de la NASA prévoit de voler de près et d'étudier plusieurs chevaux de Troie.

Il serait parfaitement stable si, au lieu d'astéroïdes troyens, Jupiter avait une planète de la taille de la Terre située à L4. Et il pourrait même en avoir un deuxième en L5. C'est l'un des mouvements de ninja que j'ai utilisé dans Construire le système solaire ultime.

Deux planètes de masses similaires peuvent également partager la même orbite si elles orbitent à 60 degrés l'une de l'autre. Cela signifie que chacun est dans le point de Lagrange L4/L5 de l'autre. Ce type de configuration sort de nos simulations informatiques, et nous nous attendons à trouver l'une de ces configurations parmi les systèmes d'exoplanètes.

Le cas le plus extrême de planètes co-orbitales est celui des anneaux de planètes en orbite. Un anneau de planètes est stable tant que toutes les planètes ont la même masse et qu'elles sont régulièrement espacées le long de la même orbite circulaire.

Cette configuration orbitale à l'allure folle - avec 42 Terres régulièrement espacées le long de l'orbite terrestre - est stable pendant des milliards d'années ! (Explication ici détails techniques ici).

Les anneaux de planètes étaient au cœur de la Système solaire d'ingénierie ultime et le Millions de Terre Système Solaire. Les anneaux sont l'utilisation la plus efficace de l'immobilier orbital.

Explorons une idée secondaire : un arc de planètes co-orbitales peut-il exister ? Ce serait une tranche d'un anneau de planètes.

Nous n'allons pas simplement imaginer ce qui pourrait exister. Nous commencerons de cette façon, puis nous utiliserons des simulations informatiques pour tester si notre imagination tient le coup. (Je fais ce genre de simulation dans mon travail quotidien d'astrophysicien).

Les arcs de planètes peuvent être stables de deux manières, en fonction de l'espacement des planètes. Soit ils sont répartis aux points de Lagrange, soit par rayons de colline (que je vais expliquer).

Parcourons-les un à la fois.

Cas 1 : planètes co-orbitales séparées de 60 degrés

Nous savons déjà qu'il est stable lorsque Jupiter a une Terre à 60 degrés en avant et/ou en arrière de son orbite, et lorsque deux Terres sont séparées de 60 degrés le long de leur orbite.

Je veux savoir si deux Neptune, Saturne ou (méga-)Jupiter pourraient partager une orbite. Et si 3, 4, 5 ou même 6 planètes pourraient partager la même orbite, espacées de 60 degrés.

Repérez les simulations à N corps.

Ces simulations sont assez simples : je saisis la configuration de départ d'un système de planètes, et le code fait avancer le système dans le temps, en tenant compte de la gravité entre les objets. C'est comme jouer à Dieu avec des systèmes planétaires (ou un crash de super planète).

Détails techniques: J'appellerai un système “stable” s'il conserve la même configuration pendant 100 millions d'années. Je sais que cela représente moins de 1% de l'âge de l'Univers, mais lorsque les choses deviennent instables, elles sont généralement rapides. De plus, cela empêche les simulations de prendre trop de temps à s'exécuter. (Chaque simulation a pris entre 20 minutes et quelques heures). Nous garderons le Soleil au milieu, et dans presque tous les cas, les planètes suivront une orbite circulaire de la même taille que l'orbite de la Terre. J'utiliserai simplement des groupes de planètes de masse égale pour simplifier les choses (Jupiters avec Jupiters et Saturnes avec Saturnes, sans mélanger). Il existe des configurations intéressantes avec des planètes à masses mixtes — comme Klemperer Rosettes — mais nous n'allons pas là-bas dans cet article.

Premier résultat : les systèmes avec des Terres co-orbitales ou des Neptunes sont très stables.

N'importe où de 2 à 6 de ces planètes peuvent suivre la même orbite et rester agréables et stables. Cela peut être un anneau complet de 6 planètes, ou juste une tranche.

Deuxième résultat : les systèmes avec Saturnes et Jupiters co-orbitaux sont assez stables.

Les systèmes avec 2, 3 ou 4 Saturnes — à nouveau séparés de 60 degrés le long de la même orbite — étaient stables pendant 100 millions d'années. Mais les systèmes avec 5 ou 6 sont devenus instables rapidement (en environ 100 ans).

Les systèmes avec 2 ou 3 Jupiters étaient stables, mais les systèmes avec 4 Jupiters ou plus étaient instables très rapidement (en moins de 100 ans).

Troisième résultat : les ruptures de stabilité co-orbitale pour les planètes vraiment massives.

Les systèmes avec 3 planètes qui sont chacune 3 fois la masse de Jupiter, séparées de 60 degrés, sont stables. Mais augmentez la masse à seulement 3,2 fois la masse de Jupiter et ils sont instables.

Ensuite, j'ai effectué des simulations pour tester l'ampleur de deux planètes co-orbitales (à 60 degrés l'une de l'autre). Ce type de système est stable avec des planètes jusqu'à 14 masses de Jupiter, mais instable à 15 masses de Jupiter.

Pourquoi les systèmes cessent d'être stables lorsqu'ils deviennent trop massifs ? En termes simples, il y a tout simplement trop de gravité. C'est comme une chaîne de personnes marchant dans la rue en se tenant la main. Plus ils tirent les uns sur les autres (plus l'attraction gravitationnelle est forte, ou plus les planètes sont massives), plus la chaîne se brisera facilement.

Les lunes de ces planètes sont-elles stables ? Je n'ai pas testé cela car cela nécessite un type de code différent (et cela prend beaucoup plus de temps). Mais les lunes ne sont que de petits acteurs dans le jeu de la stabilité, elles devraient donc être stables.

Utilisons ce que nous avons appris pour améliorer notre vieil ami le Système solaire ultime.

Nous allons nous concentrer sur le système ultime numéro 2. Dans ce système, la zone habitable était dominée par quatre Jupiters sur des orbites concentriques. La plupart des biens immobiliers habitables se trouvaient sur les lunes de ces Jupiters :

Système solaire ultime 2. Chaque orbite autour de l'étoile abrite une géante gazeuse autour de cinq grandes lunes. Il y a aussi une Terre binaire aux points de Troie avant et arrière avec la géante gazeuse (60 degrés devant et derrière la planète géante dans son orbite autour de l'étoile).

Chaque orbite était partagée par un Jupiter (avec cinq lunes) ainsi que deux Terres binaires, 60 degrés devant et derrière l'orbite de Jupiter. C'est 9 mondes habitables par orbite.

Nous savons maintenant qu'une seule orbite peut contenir trois Jupiters ou quatre Saturnes. Et il n'y a aucune raison que chacune de ces planètes géantes gazeuses ne puisse pas avoir un système de lunes. Cela fait 15 à 20 mondes habitables (lune) partageant une seule orbite.

Mais combien de ces orbites peuvent tenir à l'intérieur de la zone habitable ?

Les systèmes de géantes gazeuses sont naturellement espacés en résonance orbitale. En résonance 2:1, la planète extérieure complète une orbite pour deux orbites de la planète intérieure, et les planètes se réalignent à chaque fois au même endroit.

Avec plus d'une planète par orbite, les résonances entre les orbites deviennent moins stables. Quatre Jupiters en orbite autour du Soleil, chacun en résonance 3:2 avec ses voisins, est stable. Mais avec 3 Jupiter par orbite, il est instable.

Je n'ai pas recherché de manière exhaustive les configurations qui optimiseraient le nombre de géantes gazeuses dans la zone habitable. Mais j'ai trouvé que trois orbites hébergeant 3 Saturnes chacune peuvent être stables si chaque orbite est en résonance 2: 1 avec la suivante. Trois de ces orbites peuvent tenir dans la zone habitable.

Appelons ce système de cohorte ultime (le numéro 1 suivra ci-dessous).

Le premier système de cohorte ultime, avec un total de 45 mondes habitables - toutes les lunes des géantes gazeuses de la masse de Saturne.

UNE cohorte est un groupe de personnes qui partagent quelque chose en commun. Une cohorte de planètes se situe entre une seule planète (ou une simple paire de co-orbitales) et un anneau de plusieurs planètes.

Mais, même si je suis tenté, nous ne pouvons pas abréger une cohorte de co-orbitales en “co-horbitales” parce que ce serait tout simplement ridicule !

Cas 2 : planètes co-orbitales espacées des rayons de Hill

La sphère de Hill est la région en forme de boule autour d'une planète dans laquelle la gravité de la planète domine sur les étoiles. Les lunes doivent orbiter dans un rayon de colline de la planète (et les lunes de lune dans un rayon de colline de la lune) :

Une lune en orbite autour d'une planète en orbite autour d'une étoile. Dans chaque panneau, la « caméra » est en orbite avec la planète ou la lune. Les lignes fines montrent des orbites stables et les cinq points de Lagrange sont étiquetés (bien que seuls L4 et L5 soient stables). Adapté de Domingos & Winter (2005).

Pour rester stables et éviter de s'écraser les unes sur les autres, les planètes doivent rester suffisamment éloignées les unes des autres. La stabilité est garantie lorsque deux planètes sont distantes de plus d'environ 4 rayons Hill. Les systèmes avec plus de planètes doivent être plus espacés.

Lors de la construction d'anneaux de planètes (à la Ultimate Engineered Solar System), la stabilité nécessite que les planètes soient suffisamment éloignées les unes des autres le long de leur orbite partagée plutôt qu'entre les orbites. Pour assurer la stabilité de l'anneau, les planètes doivent toutes avoir la même masse et être parfaitement espacées.

Cela m'a fait me demander : deux Terres ou plus peuvent-elles partager la même orbite simplement en étant suffisamment éloignées, sans se soucier des points de Lagrange ou des anneaux parfaitement espacés ?

Voyons le découvrir, en utilisant le même type de simulations à N corps qu'auparavant.

Expérience 1. À quelle distance 2 ou 3 Terres peuvent-elles être le long d'une orbite partagée ?

J'ai exécuté un ensemble de simulations avec 2 Terres sur la même orbite et un autre ensemble avec 3 Terres sur la même orbite. Dans chaque simulation, je n'ai changé que la distance entre les planètes au début.

Comme vous pouvez l'imaginer, les systèmes dans lesquels les planètes ont commencé à proximité les unes des autres étaient instables plus rapidement que ceux qui ont commencé plus loin les unes des autres. Et lorsque les planètes étaient suffisamment éloignées les unes des autres, le système restait stable.

Voici un graphique montrant les résultats pour le cas 3-Terre :

Le graphique montre que pour qu'un système de 3 Terres co-orbitales soit stable pendant au moins 100 millions d'années, les planètes doivent être distantes d'au moins 20 rayons de Hill.

Vous vous demandez peut-être si un système stable pendant 100 millions d'années deviendrait instable dans un milliard d'années ? Pour tester cela, je devrais dépenser beaucoup plus de temps de calcul pour le découvrir. D'après l'expérience passée, la réponse est : probablement pas. Habituellement, un système qui deviendra instable le fait rapidement. Et plus les planètes sont éloignées les unes des autres, plus les chances d'instabilité ultérieure sont faibles.

[Note latérale : il y a environ 1% de chances que le système solaire lui-même devienne instable au cours des 5 prochains milliards d'années. Cela a été déterminé en utilisant ce même type de simulations à N corps tout en tenant compte des incertitudes sur les positions exactes des planètes.]

Voici à quoi ressemble une cohorte de 3 Terres séparées par 20 rayons de Hill.

La configuration la plus compacte de trois Terres partageant une orbite autour du Soleil. Chaque planète est à 20 rayons de Hill de ses voisines, à environ 11,5 degrés d'intervalle.

Ces trois planètes forment une véritable cohorte, des copains partageant la même orbite !

Par rapport au cas 3-Terre, un système avec 2 Terres peut encore plus proche. Une cohorte 2-Terre est stable lorsque les planètes sont aussi proches que 8 rayons de Hill.

Expérience 2 : quelles combinaisons de cohortes pourraient orbiter autour d'une même étoile ?

J'ai effectué quelques simulations avec 4 Terres ou plus partageant la même orbite. J'ai trouvé que 4 Terres doivent être espacées d'au moins 25 rayons de Hill pour être stables. Et lorsque les Terres sont espacées de 30 rayons Hill (17,2 degrés le long de leur orbite), au moins 12 peuvent partager la même orbite.

[Note latérale : dans les anneaux — comme dans le système solaire d'ingénierie ultime — les planètes peuvent être un peu plus proches, à environ 15 rayons de Hill les uns des autres. Dans un anneau, la gravité d'une planète voisine d'un côté est annulée par la gravité de la voisine de l'autre côté. Dans une cohorte, la force globale de la gravité des voisins planétaires doit être plus petite car il n'y a pas toujours une autre planète pour équilibrer les choses. ]

Voici quelques systèmes co-orbitaux stables contenant 6 et 12 Terres. Dans la cohorte 6-Terre, les planètes s'étendent sur environ un quart de l'orbite entière. Dans la cohorte des 12 Terres, ils couvrent plus de la moitié.

Les cohortes peuvent également être réparties le long de la même orbite. Par exemple, une orbite peut contenir au moins trois cohortes différentes de 3 Terres chacune (espacées de 34 rayons de Hill), ou quatre cohortes de deux Terres (espacées de 30 rayons de Hill).

Un système peut contenir plusieurs orbites, dont chacune est peuplée de cohortes de planètes co-orbitales.

À titre d'exemple, triplons les planètes rocheuses du système solaire. Faisons un système avec trois Vénus, trois Terres et trois Mars. Et, pour pimenter les choses, faisons en sorte que toutes les planètes aient la même masse et la même taille que la Terre.

Une simulation montre que cette configuration est stable.

Bien que j'aie utilisé des images de Vénus et de Mars, dans la simulation, toutes les planètes sur chaque orbite avaient la masse de la Terre. Notez que l'angle entre les planètes est le même sur chaque orbite car le rayon de Hill s'adapte à la taille de l'orbite.

Il existe un vaste paysage de systèmes planétaires possibles avec de nombreuses orbites hébergeant des cohortes de planètes. Je n'ai exploré qu'un tout petit morceau de ce paysage, mais j'ai trouvé des systèmes plutôt sympas (stables).

Je n'ai pas essayé d'optimiser le nombre de planètes pouvant tenir dans la zone habitable. Mais je me sentais toujours obligé de battre notre vieil ami Système solaire ultime 1, qui avait 24 planètes dans la zone habitable.

Voici Ultimate Cohort System 2, avec trois orbites dans la zone habitable. Chaque orbite a quatre cohortes distinctes de deux Terres, écartées de 90 degrés. Cela fait un total de 24 planètes de zone habitable.

Le système de cohorte ultime 2 a un total de 24 planètes dans la zone habitable, chaque orbite hébergeant quatre cohortes de 2 Terres rapprochées.

Ultimate Cohort System 3 a également trois orbites dans la zone habitable, mais chaque orbite contient une méga-cohorte de 12 Terres qui s'étend sur plus de 180 degrés de l'orbite.

Pour que les systèmes de cohorte ultimes 2 et 3 restent stables, chaque orbite devait être suffisamment espacée par rapport à ses voisines. Ces systèmes sont stables lorsque les orbites sont situées à 1, 1,5 et 2,25 unités astronomiques (50 rayons de Hill entre les orbites), mais pas s'ils sont plus proches les uns des autres.

L'orbite extérieure est proche de la limite trop froide de la zone habitable traditionnellement définie. En pratique, le fait qu'une planète à 2,25 UA puisse avoir de l'eau liquide dépendra principalement de l'épaisseur et de la composition de l'atmosphère de la planète, et de sa capacité à chauffer suffisamment la serre.

Laissons l'Ultimité là-bas. Nous pourrions emballer les planètes plus étroitement en faisant tourner les orbites voisines dans des directions opposées autour de l'étoile (comme dans le système rétrograde ultime), ou inclure de nombreuses étoiles (comme dans le système ultime à 16 étoiles). Mais les systèmes de cohorte ne seront jamais aussi denses que les anneaux de planètes (comme le système Ultimate Engineered).

Je ne sais pas si les planètes des cohortes pourraient avoir de grandes lunes. Je soupçonne que les coups gravitationnels supplémentaires rendraient les lunes instables dans le temps, mais des simulations plus compliquées (et beaucoup plus longues) sont nécessaires pour le découvrir.

A quoi ressemblerait une cohorte de planètes dans le ciel ?

Dans la cohorte la plus compacte avec 2 Terres séparées par 8 rayons de Hill, les planètes sont distantes de 0,08 unité astronomique le long de leur orbite. C'est environ 32 fois la distance entre la Terre et la Lune.

La Terre est 4 fois plus grosse que la Lune, donc assis sur une planète dans une cohorte de 2 planètes, votre voisin ferait environ 1/8e de la taille de la pleine Lune. C'est plus grand (et beaucoup plus lumineux) que Vénus n'a jamais été dans le ciel.

Imaginez maintenant que vous viviez dans Ultimate Cohort System 3. Disons que votre planète natale se situe dans la cohorte médiane du système.

Les autres planètes du système ressembleraient à des colliers de perles dans le ciel.

Les planètes d'une cohorte suivraient une ligne à travers le ciel, de la même manière que le mouvement des planètes et du Soleil et de la Lune dans notre ciel. This is because all of the planets would be in the same plane (or close to it).

Each planet would have a phase between crescent and full. Venus goes through phases that are easily seen with binoculars or a small telescope. The planets in different cohorts would show similar phases, and since they are spread along the same orbit, it would be like seeing snapshots of Venus’ phases but all at the same time!

From the Astronomy Picture of the Day

Phases of planets in a cohort closer to the Sun would look a lot like the phases of Venus. But phases of planets in your own cohort would be a little different because you would never see thin crescents, or any planet less than half-full. And the phases of planets in a more distant cohort would always be closer to full.

Cohorts maintain their relative configuration as they orbit their Sun. This means that the other planets in your own cohort would always be in the same place relative to the Sun (although would move compared to the background stars).

For example, your closest (and brightest and biggest) neighboring planets would be visible high in the sky at sunset (for the planet trailing you in the cohort) and at sunrise (for the planet leading you in the cohort).

The next neighbors would appears just a little closer to the Sun than your closest neighbors.

Planets in your own cohort would always have the same phase. Your closest neighboring planets would always be half-illuminated.

Planets in neighboring cohorts would be a bit smaller and fainter than the closest neighbors in your cohort. They would also move in the sky relative to the Sun. Since all cohorts share a common orbital plane, planets in other cohorts would sometimes be eclipsed by planets in your own cohort!

With all of these bright moving objects in the sky, one can only imagine what kind of legends would arise on a planet in a cohort system. The distant stars would pale in comparison, and the study of planetary science would far outpace the study of more distant objects like stars and galaxies.

If you lived on a moon in Ultimate Cohort System 1, your home gas giant would dominate the sky. There would be a lot of interesting differences compared with Earth (some of which are discussed here). The other members of the cohort would be bright companions that would stay fixed relative to the Sun.

Science fiction possibilities within cohort planetary systems

Like a close-knit group of friends, a cohort of planets shares a bond that is stronger than its connection with other planets in the system.

The strongest bond would be with your closest neighboring planet (or planets), especially if you lived in a closely-packed cohort.

With such bright, constant reminders in the sky, neighboring planets might take on God-like status. A civilization would develop with these planets at the forefront of their mind.

As new technology was developed, it would all be pointed toward those neighboring worlds. Early telescopes would detect that the planets were only half-lit, and might even detect global-scale events like giant volcanic eruptions or giant storms. In time, telescopes would map the planet’s surface as it rotated and search for signs of life.

Nearby worlds would be the first targets for space exploration. Satellites would be placed in orbit, looking down at this world’s surface and beaming it back in full resolution.

Neighboring worlds would make ideal space colonies (surface conditions permitting). And once a civilization was spread over two planets, it would be ready to take over the entire system.

Imagine you lived on a planet in the Ultimate Cohort 2 system, with a single nearby neighboring planet. After colonizing your companion world, the next targets would be the other cohorts sharing your orbit. Next, domination of the entire system…

Now imagine that both planets of a 2-Earth cohort system were inhabited, but there was a world war on one of them. Would one faction send signals to its neighboring world asking for help? How would the other planet see and react to the war?

If you lived on a habitable moon in Ultimate Cohort System 1, the story would be similar. The first targets for exploration and colonization would be the other moons of your home gas giant. And then, system domination!

Of course, these ideas just scratch the surface. I’m sure there are some fascinating stories to be told in cohort planetary systems…

There you have it — cohort planetary systems!

As far as I am aware, cohort systems are new. I have not seen any studies showing that systems like this can exist and be stable (although it’s entirely possible that such studies exist — please let me know if you are aware of any). I might write a scientific paper following the general outline of this blog, showing that cohort systems exist and outlining their stability. It will be the first blog post that will precede a scientific result for me.


Commentaires

December 6, 2018 at 11:54 pm

Newton’s Law of universal gravitation and Kepler’s Law of planetary motion describes the movement of planets around the sun. Equations are derived from these laws and hence the birth of Celestial Mechanics. But nowhere in the literature can we find an accepted law of Planetary Rotation because everyone is convinced that there is nothing special about the rotation of the planets. Except for the “overused” explanation…

“A long time ago in a galaxy far, far away. spinning gas and dust flattened into a protoplanetary disk and due conservation of angular momentum the planets are now rotating with RANDOM velocities”

It’s the same as saying we don’t really know how it works. We have a concept but not enough to express it in numbers.

This is a quote from Lord Kelvin (William Thomson):“I often say that when you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it but when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meagre and unsatisfactory kind it may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thoughts, advanced to the stage of science, whatever the matter may be.”


Copying the answer

Jupiter and Saturn aren’t the only objects in the Solar System subject to this mystery. When the Sun formed, it too accreted hydrogen gas from the disk around it. As a result, we would naturally expect the Sun to be rotating even faster than Jupiter. Yet, a solar day lasts nearly a month, somehow leaving the Sun with only about 1% of the Solar System’s angular momentum – even though it has over 99% of the mass!

One way for the Sun, or any object, to lose angular momentum is to fling out some of its material. The leading explanation for why stars like the Sun spin down this way is called magnetic braking. In this process, the solar wind carries material out of the surface just like it does today. Then, some of that material will get caught on the Sun’s magnetic field lines, which expel it even further out of the Sun – taking a significant chunk of the Sun’s angular momentum with it. To conserve angular momentum, the Sun will have to slow down how fast it rotates. Can gas giant planets do this too?


Space Environment

Space is huge, and even our immediate environment is gigantic. We are the third planet from the Sun, and the third of three inner planets, all of which are right next to the Sun compared to others. The picture below shows the planets in their orbits on the orbital plane. You have to look carefully to see our home. The four inner planets (Mercury, Venus, Earth and Mars) are in the tiny disk in the center, inside of Jupiter's orbit.


Image from The Nine Planets, a Multimedia tour of the Solar System by Bill Arnett http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/nineplanets.html

The planets are far from the Sun, travel huge distances in space, and take a long time to do so. Pluto takes almost 250 years to go around the Sun completely and travels almost 23 billion miles to do so!

Distance from Sun (average)

The distance from the Sun is average because the orbits of the planets do not make perfect circles, but rather very slightly flattened ones, or ellipses.


Jupiter, The Solar System's Fastest Planet

Jupiter is the 5th planet from the sun and it is the biggest of all planets in the solar system. It is a giant gaseous planet and about 2.5 times the size of all planets combined in the solar system. It spins on its axis in the opposite direction as opposed to most planets. Other gas planets include Saturn, Uranus, and Neptune. Jupiter is believed to have a solid core made of rocks. Like most other planets, Jupiter does not have a defined solid surface. As a result of its rotation, the planet has an oblate spheroid shape having a bulge along the equator. The atmosphere of the planet is divided into different bands that vary with the altitude. At the boundaries are great turbulence and storms and the popular one is the Great Red Spot a giant storm, which was first observed in the 17th century using a telescope. Because the surface of the planet is not solid, the rotational speed around the equator is different from that of its polar areas, and this is why it has a bulge at its equator. The rotational speed at the equator of this planet is 28,273 miles per hour. A complete day in Jupiter around the poles is an estimated nine hours and 56 minutes while at the equator it is an estimated nine hours and 50 minutes.


A giant, sizzling planet may be orbiting the star Vega

Vega is the fifth brightest star, excluding the sun, that can be seen from Earth. Credit: CC image by Stephen Rahn via Wikimedia Commons

Astronomers have discovered new hints of a giant, scorching-hot planet orbiting Vega, one of the brightest stars in the night sky.

The research, published this month in Le Journal d'Astrophysique, was led by University of Colorado Boulder student Spencer Hurt, an undergraduate in the Department of Astrophysical and Planetary Sciences.

It focuses on an iconic and relatively young star, Vega, which is part of the constellation Lyra and has a mass twice that of our own sun. This celestial body sits just 25 light-years, or about 150 trillion miles, from Earth—pretty close, astronomically speaking.

Scientists can also see Vega with telescopes even when it's light out, which makes it a prime candidate for research, said study coauthor Samuel Quinn.

"It's bright enough that you can observe it at twilight when other stars are getting washed out by sunlight," said Quinn, an astronomer at the Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Despite the star's fame, researchers have yet to find a single planet in orbit around Vega. That might be about to change: Drawing on a decade of observations from the ground, Hurt, Quinn and their colleagues unearthed a curious signal that could be the star's first-known world.

If the team's findings bear out, the alien planet would orbit so close to Vega that its years would last less than two-and-a-half Earth days. (Mercury, in contrast, takes 88 days to circle the sun). This candidate planet could also rank as the second hottest world known to science—with surface temperatures averaging a searing 5,390 degrees Fahrenheit.

Hurt said the group's research also helps to narrow down where other, exotic worlds might be hiding in Vega's neighborhood.

"This is a massive system, much larger than our own solar system," Hurt said. "There could be other planets throughout that system. It's just a matter of whether we can detect them."

Artist's depiction of a planet named KELT-9b, currently the hottest known exoplanet, which may resemble a candidate world in orbit around Vega. Credit:NASA/JPL-Caltech

Quinn would like to try. Scientists have discovered more than 4,000 exoplanets, or planets beyond Earth's solar system, to date. Few of those, however, circle stars that are as bright or as close to Earth as Vega. That means that, if there are planets around the star, scientists could get a really detailed look at them.

"It would be really exciting to find a planet around Vega because it offers possibilities for future characterization in ways that planets around fainter stars wouldn't," Quinn said.

There's just one catch: Vega is what scientists call an A-type star, the name for objects that tend to be bigger, younger and much faster-spinning than our own sun. Vega, for example, rotates around its axis once every 16 hours—much faster than the sun with a rotational period that clocks in at 27 Earth days. Such a lightning-fast pace, Quinn said, can make it difficult for scientists to collect precise data on the star's motion and, by extension, any planets in orbit around it.

To take on that game of celestial hide-and-seek, he and colleagues pored through roughly 10 years of data on Vega collected by the Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona. In particular, the team was looking for a tell-tale signal of an alien planet—a slight jiggle in the star's velocity.

"If you have a planet around a star, it can tug on the star, causing it to wobble back and forth," Quinn said.

The search may have paid off, said Hurt, who began the study as a summer research fellow working for Quinn at the CfA. The team discovered a signal that indicates that Vega might host what astronomers call a "hot Neptune" or maybe a "hot Jupiter."

"It would be at least the size of Neptune, potentially as big as Jupiter and would be closer to Vega than Mercury is to the sun," Hurt said.

That close to Vega, he added, the candidate world might puff up like a balloon, and even iron would melt into gas in its atmosphere.

The researchers have a lot more work to do before they can definitively say that they've discovered this sizzling planet. Hurt noted that the easiest way to look for it might be to scan the stellar system directly to look for light emitted from the hot, bright planet.

For now, the student is excited to see his hard work reflected in the constellations: "Whenever I get to go outside and look at the night sky and see Vega, I say 'Hey, I know that star."


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What is the possible reason for Venus rotating clockwise and in such slow pace?

Nobody really knows for sure. Venus is indeed an oddball when it comes to understanding why it rotates the way it does. However, there are several theories which seek to explain this strange behavior. Two of the most common ones are listed below for your understanding:

  • Astronomers think that Venus was impacted by another large planet early in its history, billions of years ago. The combined momentum between the two objects averaged out to the current rotational speed and direction.
  • One possibility is that Venus rotated normally when it first formed from the solar nebula, and then the tidal effects from its dense atmosphere might have slowed its rotation down.

It is entirely possible that the real reason might be none of these hypotheses and something that is quite different from our current understanding. But in the present day, these are the two most likely reasons.


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