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SKBOs轨道演化的动力学模拟

作　者: 房建军
导　师: 聂清香
学　校: 山东师范大学
专　业: 理论物理
关键词: SKBOs 动力学演化数值模拟共振轨道根数
分类号: P185
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

散射型Kuiper带天体简称SKBOs,是Kuiper带天体(KBOs)中的一种类型。KBOs是近十几年来在海王星外面新发现的一群类冰状天体。现今所观测到的KBOs大部分都处于30～50AU之间,少部分位于50AU之外根据猜测其最远可到达Oort云。根据其动力学特性,KBOs可以分为经典型(CKBOs)、共振型(RKBOs)和散射型(SKBOs)三种类型。SKBOs是随着1996TL66的发现而出现的,其主要特点是距太阳远,轨道偏心率大,轨道倾角高,主要分布于50AU到200AU,个别远达1000AU之外,其近日点距离在35AU附近。因怀疑它们的轨道是被海王星引力散射所致,故命名为散射Kuiper带天体。KBOs被认为是太阳系最初形成时留下的残骸,而SKBOs较其它两种类型的KBOs与太阳的距离更远,所以它们可能保留有太阳系形成时更原始的信息,因此,对它们的研究将有力于推动太阳系的形成和演化的研究。对SKBOs的轨道演化的模拟研究,旨在探索这类天体的起源,同时了解周期彗星的起源。本论文的研究工作主要包括以下几部分:(1)根据目前观测到的SKBOs的最新数据,对其轨道特性进行分析,揭示出了SKBOs的轨道半长径、偏心率和轨道倾角的分布规律。(2)应用Hermite算法到太阳、海王星、冥王星、UB313和SKBOs所组成的N体问题模型中,对目前观测到的具有确定轨道根数的138个SKBOs做了长达0.6×108年的时间前进时的轨道演化模拟和0.9×108年“逆时”模拟计算,目的是探求0.6×108年后和0.9×108年前SKBOs的分布状态。(3)采用正则混合变量辛积分的SWIFT积分器对138×7个虚拟粒子进行了10×108年的逆时轨道演化模拟,与前面的结果比较,进一步验证前面实验结果的正确性。本文研究所得主要结果如下:(1)SKBOs中超过多数是非常稳定的,可能它们原来就在散射盘里,至少在10亿年时间内在那里。(2)散射盘内部的一部分天体是被大行星俘获的更外部的天体,它们在近日点时曾与海王星轨道靠近。在它们向内迁移的过程中,偏心率减小。(3)SKBOs的轨道演化与初始的偏心率有密切关系。(4)现在观测的部分SKBOs可以向内迁移,有的能进入Kuiper带主带;部分向外迁移,有的将被散射出太阳系。一般向内迁移的天体的初始偏心率比向外的小。(5)SKBOs轨道演化过程中倾角的变化不明显,SKBOs一般来说比经典Kuiper天体稳定。总之,基本结论是:如果太阳系形成以来的45亿年内,大行星的分布结构未曾发生大的变化的话,散射盘中应有足够多的原始天体,它们可能是在太阳原始星云盘中凝结的星子,是Kuiper带向外延伸的更稀少物质成分。SKBOs的一部分可能来自大行星向外的散射,散射的数量会随积分时间的延长而增加;有一部分不稳定的SKBOs,来自更遥远的太阳系外部,即所谓Oort云的区域,因此不排除Oort云的存在。另外,当前所观测到SKBOs至少在将来的6000万年内不会有走近太阳而成为彗星,它们的近日距仍然在35AU附近。本文不用假设初始条件的“逆时”模拟的研究方法不同于他人,因此,所得结果和基本结论比他人更科学、更可信。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
第1章 SKBOs动力学研究的背景及意义  11-17
  1.1 关于Kuiper 带的预言和发现  11-14
  1.2 SKBOs 的发现  14-15
  1.3 SKBOs 轨道演化动力学的研究意义  15-17
第2章 SKBOs 的轨道观测特性  17-23
  2.1 Kuiper 带主带天体的轨道特性  17-20
  2.2 SKBOs 的轨道特性  20-21
  2.3 SKBOs 与主带天体轨道特性的比较  21-23
第3章关于Kuiper 带起源的主要理论研究  23-29
  3.1 研究概况  23
  3.2 关于主带的形成研究  23-27
    3.2.1 经典型  24
    3.2.2 共振型  24-26
    3.2.3 关于KBOs 的原始分布假设  26-27
  3.3 关于SKBOs 动力学演化理论  27-29
    3.3.1 关于SKBOs 的共振  27
    3.3.2 关于SKBOs 的形成理论  27-29
第4章 SKBOs 轨道演化模拟的理论基础  29-37
  4.1 动力学模型  29-30
  4.2 SKBOs 轨道演化的动力学方程  30-33
  4.3 SKBOs 动力学模拟的数值算法  33-37
    4.3.1 辛算法(Sym)  33-35
    4.3.2 Hermite 算法  35-36
    4.3.3 两种算法的比较  36-37
第5章对 SKBOs 轨道演化的数值模拟  37-44
  5.1 模拟实验一的方法  37-38
  5.2 模拟实验一的结果  38-41
  5.3 模拟实验二  41-43
  5.4 结论和讨论  43-44
参考文献  44-50
攻读硕士学位期间发表的文章  50-51
致谢  51

SKBOs轨道演化的动力学模拟

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