Kuiper带天体原始分布的模拟研究

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，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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章Kuiper带的发现及研究意义

§1.1 Kuiper带的预言

§1.2Kuiper带的发现

§1.3 Kuiper带研究的意义

第二章Kuiper带的研究现状

§2.1 Kuiper带的概况

§2.2 Kuiper带天体的共振

§2.3 Kuiper带形成演化机制研究

§2.4目前研究存在的问题

第三章KBOs轨道演化模拟理论和方法

§3.1天体的动力学模型

§3.2演化的动力学方程

3.2.1动力学方程

3.2.2坐标变换

§3.3模拟所采用的算法和程序

§3.4模拟所采用的参数

第四章KBOs原始分布模拟的结果和分析

§4.1 551颗KBOs的演化模拟

4.1.1 KBOs轨道半长径的反演分布

4.1.2 KBOs轨道偏心率的反演分布

4.1.3 KBOs轨道倾角的反演分布

4.1.4 KBOs轨道偏心率和轨道倾角的变化比较

4.1.5初步结论

§4.2 1098颗虚拟粒子的轨道演化模拟

4.2.1虚拟粒子轨道半长径的反演分布

4.2.2虚拟粒子轨道偏心率的反演分布

4.2.3虚拟粒子的轨道倾角的反演分布

§4.3彗星的形成

第五章结论和讨论

§5.1主要结论

§5.2问题讨论

参考文献

攻读硕士学位期间完成的文章

致谢