Kuiper带天体原始分布的模拟研究

发布时间：2020-07-17 15:19

【摘要】： Kuiper带天体,简称KBOs,是在海王星外新发现的一群类冰状绕太阳运转的小天体。它们大部分分布在距太阳30～50AU处的一个环形带中。一般认为,KBOs是早期太阳系演化过程的残余,对它们的研究可能会得到太阳系早期许多最原始的信息,这不仅会促进我们对太阳系形成和演化的认识,而且还会对太阳系外行星系统的发现和理论研究提供有重要价值的参考。本文依据天体力学的N体问题理论,对目前已观测到的具有可靠轨道根数的KBOs的轨道演化进行了反向数值模拟,即以现在所观测的KBOs的轨道根数为初始条件,反推它们以前的轨道运行状态,从而确定它们在太阳系早期的轨道特性。本文的研究工作主要有三大部分: (1)在太阳、类地行星、木星、土星、海王星、冥王星、UB313和KBOs的N体问题模型中,应用SWIFT程序包中的RMVS3积分器对目前所观测到的具有确定轨道的551个KBOs做了时间跨度为1×109年的轨道演化模拟。积分方向逆着时间前进的方向,目的是探求1×109年前KBOs的原始轨道分布状态。 (2)在(1)的基础上,对除了冥王星和UB313以外的其它549颗KBOs的ω、?和M取2次随机值,得到1098颗虚拟粒子。重复(1)的实验,目的是验证实验(1)结果的正确性。 (3)随机抽取了由遥远的太阳系外部边缘进入到Kuiper带中的小部分Kuiper带天体,进行时间跟踪分析,目的是详细了解它们的轨道演化过程。本文研究所得主要结论如下: (1)KBOs中的一部分可能是由该处的原始星云形成,而另外一部分来自距离太阳更遥远的地方。对天体轨道演化的跟踪研究显示,海王星3:2共振区附近的天体绝大部分来自50AU之外的区域,而经典KBOs的大部分原来就在35～50AU区间。 (2)Kuiper带天体的一部分来源于高轨道倾角和较大偏心率的遥远天体。在进入Kuiper带的演化过程中,多数的偏心率和轨道倾角在减小,但是进入共振带的一般较大。 (3)对部分KBOs的跟踪显示,其被俘获进Kuiper带之前的奇妙的运行状态和被俘获之后复杂的运动轨迹,从而推断太阳系外部小行星、彗星和KBOs之间的一种可能的相互转化。本文的创新点: 以往有许多研究者采用数值方法模拟Kuiper带的形成。他们都是假定一系列初始条件,试图通过改变某些可调参数,获得目前观测到的天体轨道分布状态。这种做法很难获得理想结果,而且工作量太大。我们创新了一种解决办法,以目前实际观测数据为模拟初始条件,进行轨道“反演”模拟,倒退计算到太阳系形成的初期,追溯KBOs的原始“真实“分布状态。本文研究的遗憾之处在于不能将KBOs对大行星的影响考虑在内;而对于原来处于Kuiper带位置而在后来逸出太阳系的天体,由于已经不可能再找到它们的信息,也无法对其进行跟踪,这可能会使得某些演化信息得不到再现。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P185
【图文】：

太阳系,双星,短周期彗星,太阳系起源

图 1.1 每年发现的 KBOs 数量随时间的变化§1.3 Kuiper 带研究的意义在 Kuiper 带发现前，太阳系起源和演化的研究曾一度几乎停止不前，原因一是太阳系本身只有一个样品，不像恒星那样处在各演化过程的都有；二是天体相互作用非常复杂，难以得到动力学方程的解析解；三是太阳系行星都经过了几十亿年的演化，难以找到太阳系形成早期的信息。由于 KBOs 远离太阳和大行星，而且质量小，演化慢，被认为是太阳系形成最初时留下的残骸，它可能保留有太阳系形成时最原始的信息。因此 Kuiper 带的发现和研究将对太阳系形成和演化的研究起到重大的推动作用。此外，观测还新发现了几颗具有类似冥王星-卡戎（Pluto-charon）[24]结构的 KBOs 双星，如1998WW31、2001QW322等[25]。因此，对 KBOs 的研究也是理解 KBOs 中某些特殊星体（比如双星）和短周期彗星起源的关键。尤其是近几年来，大量观

示意图,示意图,天体,动力学结构

道特性、动力学结构及其起源和演化都富有成效，初见成果[27-37]。本章将要就 KBOs 动力学研究的当前成果和最新进展进行概括和讨论。§2.1 Kuiper 带的概况Kuiper 带是一个数量非常庞大的小行星群，目前已观测到 1000 多颗，大多数分布在海王星之外 30AU 到 50AU 之间，在黄道面附近运行，整体一扁平的盘状，这和存在扁平的彗星带的观测结果一致。此处的天体也被为“Trans－Neptunian Objects”，简称 TNOs。但是人们猜测，KBOs 不止此，它会继续向外延伸，最外层可能到达 Oort 云的内核[6]。据估计，直径 100km 以上的天体可有 70,000 颗[28]，而小天体的总数可达到 109的数量[29]。图 2.1 是 Kuiper 带的示意图，可见其延伸的广阔空间。根据已观测到的 KBOs 的动力学特性，人们一般把它们划分为三种类型：

天体,海王星,偏心率,近交

在轨道半长径一定的情况下，天体的轨道偏心率越大，其近日点距离越小。但海王星平运动共振带中的天体即使具有较高偏心率（ e >0.1）大多数的轨道仍然是稳定的，这主要是由于平运动共振提供了在近日点使其远离海王星的保护机制。同时也发现共振带中oi ≥25的天体不是很稳定。（3）35AU～36AU 和 40AU～42AU 两个区域是非常不稳定区域。这两个区域中的天体在 107年内其偏心率就会被提升到较高值，从而与海王星相遇。而这些区域被发现存在长期共振[63]。（4）42AU 以外偏心率小于 0.2 的区域是非常稳定区域。因为轨道半长轴越大，近日点距离越大。因此这个区域的天体远离海王星，受其摄动作用很弱，轨道很稳定。该数值模拟的结果能解释 KBOs 轨道部分观测特性，但不能说明当前的分布状态。

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