外太陽系和太陽系外的平運動共振動力學研究

《外太陽系和太陽系外的平運動共振動力學研究》是依託南京大學，由周禮勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：外太陽系和太陽系外的平運動共振動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周禮勇
• 依託單位：南京大學

項目摘要

平運動共振是行星系統中最引人注目的現象之一，外太陽系中最重要的平運動共振是發生在小天體和海王星之間的1:1, 3:2和2:1共振。本項目擬在適當參數空間中得到上述三個共振的動力學特徵的全局圖景，揭示導致這些特徵的動力學機制。將所得結果與觀測數據比較，對陷於共振的小天體按動力學特徵進行分類，並討論各類小天體可能的來源和軌道演化歷史。我們將詳細討論海王星和天王星之間的近2:1共振對上述三個主要共振中的小天體運動的影響，研究行星軌道遷移晚期行星位置的微小變化對該近共振效果的影響，由此解釋觀測到的共振小天體在空間分布和軌道根數方面的一些特徵，並反溯行星遷移過程的一些信息。相當數量的外太陽系共振天體具有較高的偏心率和/或軌道傾角，我們還擬研究有著相似軌道特徵的太陽系外行星系統中的平運動共振。

結題摘要

外太陽系（太陽系內、木星軌道以外的空間）是太陽系內最後被發現、研究的區域，一般相信外太陽系基本未受太陽系形成之後的動力學演化的影響，因而保留著太陽系形成早期的原始信息。柯伊伯帶天體的發現和觀測資料的積累，為人們提供了有關外太陽系的豐富研究對象。本項目專注於研究外太陽系中的平運動共振，主要是與海王星的1:1、3:2和2:1共振（這其中的小天體分別被稱為脫洛央Trojan,類冥王星Plutino和Twotino）。本項目對已經發現的海王星Trojan天體的軌道進行了詳細的研究，分別討論了它們的穩定性、可能的來源與將來的歸宿，利用頻率分析方法在軌道參數空間描繪了影響Trojan運動的長期共振機制，發現了天王星和海王星之間的近2:1共振對這類天體軌道穩定性的強烈作用，討論了Trojan天體高傾角軌道的可能來源以及激發過程對早期太陽系構型的限制；對3:2共振和Plutino天體，利用數值和分析的方法刻畫了3:2共振區的穩定性地圖，計算了共振中心的位置，特別討論了高傾角軌道的穩定性，提出了一種經歷7:11傾角型軌道共振獲得大軌道傾角和小偏心率的共振俘獲機制；對2:1共振和Twotino天體，我們計算了對稱和不對稱的共振角發生的條件，得到了共振中心隨軌道傾角和軌道偏心率變化的規律。我們還討論了外太陽系行星軌道遷移及共振俘獲的過程，發現海王星在星子盤中僅能獲得小於0.1倍的地球質量，而星子間的自引力作用會使得海王星遷移至更遠的距離，並且其共振俘獲能得到與當前觀測類似的小天體分布。項目執行期間，觀測證實了第一個地球的Trojan天體，我們對它們的動力學也進行了研究。同時，近年來太陽系外行星系統的大量發現，更新甚至顛覆了部分人們對行星系統的認識，本項目還對太陽系外行星系統中與上述外太陽系共振相類似的一些共振現象進行了探索，主要是研究了兩顆巨行星的1:1共振區內運動的長期穩定性隨著兩顆行星的質量比、半長徑之比的變化情況，探討了一般行星系統中兩顆相鄰巨行星存在穩定脫洛央型天體的可能性。此外，在非線性天體力學一般理論方面，本項目還首次給出了動力系統（保面積映射）相空間中軌道擴散速度與相空間中雙曲結構的幾何特徵之間的定量關係。 這些工作部分已經完成，以學術論文的形式在MNRAS，A&A等期刊發表，引起了國際同行的注意，有很好的被引用記錄。