Astronomia dinâmica e aplicação para ressonâncias entre pequenos satélites de Saturno

Abstract

O estudo da ressonância orbital entre corpos celestes é fundamental para compreender a dinâmica dos sistemas planetários. A exploração do sistema de satélites de Saturno, facilitada por missões como a Cassini, revelou diversos novos satélites, destacando a necessidade de examinar suas interações. Entre essas descobertas, certas luas exibem configurações orbitais exóticas influenciadas por suas interações com luas vizinhas e pela forma achatada de Saturno. O par Pan-Prometheus está em uma quase-ressonância orbital 16:15; no entanto, são poucas as investigações aprofundadas dadas na literatura, com base em dinâmica orbital e técnicas modernas de análise sobre esta ressonância, exceto em trabalhos observacionais. Este trabalho tem como propósito, primeiramente, estudar trabalhos sobre ressonâncias orbitais e, em seguida, focar em aplicar estes conhecimentos para pares de pequenos satélites de Saturno. Para alcançar esse objetivo, foram realizadas integrações numéricas das equações de movimento para um sistema de N satélites sob influência dos principais termos do potencial de Saturno e de seu campo gravitacional não central, levando em conta cinco satélites, e incluindo os coeficientes J2 e J4. Os resultados apresentados são uma revisão do trabalho de Callegari e Yokoyama (2020) para o par Mimas-Anthe, e a análise do par em quase-ressonância Pan-Prometheus. Além disso, é apresentada também a integração a longo prazo da órbita de Anthe, exibindo como o fato deste satélite estar preso numa ressonância de Corrotação faz com que sua órbita seja mais estável.

The study of orbital resonance among celestial bodies is fundamental for unders- tanding the dynamics of planetary systems. The exploration of Saturn’s satellite system, facilitated by missions such as Cassini, has revealed numerous new moons, highlighting the necessity to examine their interactions. Among these discoveries, certain moons exhibit exotic orbital configurations influenced by their interactions with neighboring moons and the oblate shape of Saturn. The Pan-Prometheus pair is in a near-resonance of 16:15; however, there are few in-depth investigations available in the literature based on orbital dynamics and modern analytical techniques regarding this resonance, aside from observational studies. This work aims, first, to review literature on orbital resonances and subsequently to apply this knowledge to pairs of small Saturnian satellites. To achieve this goal, numerical integrations of the equations of motion for an N-body satellite system were performed, considering the main terms of Saturn’s potential and its non-central gravitational field, including five satellites and the J2 and J4 coefficients. The results presented are a review of the work by Callegari and Yokoyama (2020) on the Mimas-Anthe pair, along with the analysis of the near-resonance of Pan-Prometheus. Additionally, a long-term integration of Anthe’s orbit is presented, demonstrating how its capture in a corotation resonance leads to greater orbital stability.