本文關(guān)鍵詞：系外行星系統(tǒng)中潮汐和共振的動力學(xué)研究　出處：《南京大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,行星形成理論與系統(tǒng)動力學(xué)已經(jīng)成為天體力學(xué)方向的一個重要領(lǐng)域。隨著系外行星探測的不斷深入,各種與太陽系相比特征迥異的系外行星和系統(tǒng)構(gòu)型被發(fā)現(xiàn)。大批離恒星極近的行星被發(fā)現(xiàn),它們周期只有幾天,從而會受到強(qiáng)烈的潮汐耗散作用。很多多行星系統(tǒng)中相鄰行星的周期比都接近簡單整數(shù)比,這預(yù)示著它們很可能處在平運(yùn)動共振。行星的軌道面與恒星的赤道面夾角的范圍也從太陽系內(nèi)的行星的≤7°擴(kuò)展到0°～180°的整個有效范圍,出現(xiàn)了不少逆行的熱木星。這些新現(xiàn)象在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的行星形成理論與系統(tǒng)動力學(xué)的同時(shí),也為其進(jìn)一步的完善和發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。本文將基于最新的觀測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)特征,從系統(tǒng)動力學(xué)角度出發(fā),將潮汐作用與諸共振相結(jié)合,研究行星演化過程中的不同構(gòu)型。 本文首先回顧了與潮汐力和共振相關(guān)的系外行星方面的主要應(yīng)用和最新進(jìn)展。然后分別給出了最經(jīng)典的和當(dāng)前最常用的潮汐模型的推導(dǎo)和各根數(shù)的平均變化率,近距離接觸了平衡潮模型的簡化假設(shè)和建模過程。之后從動力學(xué)角度出發(fā),利用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法,具體研究了以下三個問題：行星的自轉(zhuǎn)-軌道共振對其軌道偏心率的影響；潮汐作用下近2：1平運(yùn)動共振和Laplace共振的演化特點(diǎn)；盤引力對空洞內(nèi)行星軌道激發(fā)的促進(jìn)作用。同時(shí)考慮潮汐耗散和行星形變產(chǎn)生的引力,本文第三章得出結(jié)論,處于非同步自轉(zhuǎn)-軌道共振比處于半平衡狀態(tài)下的行星軌道耗散速率更大,從而偏心率也被圓化的更快。為解釋HD40307系統(tǒng)中三行星近2：1的兩個周期比的形成,本文第四章分不同情況模擬它們的演化路徑。如果行星在氣體盤消散后的演化很穩(wěn)定,由行星間相互作用產(chǎn)生的偏心率很小(～10-4),導(dǎo)致周期比的變化時(shí)標(biāo)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的年齡。而如果行星經(jīng)歷過不穩(wěn)定階段,在期間產(chǎn)生的自由偏心率便可以有效的加速周期比的演化。在這種情況下,存在三條路徑可以達(dá)到當(dāng)前構(gòu)型,三條路徑的半長徑初值分別對應(yīng)周期比平面上的三個不同區(qū)域。由此可推斷,氣體盤耗散后的不穩(wěn)定階段是系統(tǒng)在潮汐作用下從2：1共振演化到當(dāng)前構(gòu)型的必要條件。 本文第五章針對最新觀測到的逆行熱木星,提出一種可以減小軌道激發(fā)的臨界傾角的機(jī)制。考慮外氣體盤的引力,空洞內(nèi)的行星在合適位置上會發(fā)生長期共振,長期共振激發(fā)的軌道傾角義有可能引發(fā)行星之間的Kozai共振,從而激發(fā)內(nèi)行星的偏心率和傾角。我們發(fā)展了長期攝動下三體問題的根數(shù)變化率方程(從相對于不變平面的形式擴(kuò)展到相對于任意平面的形式),并給出了二維盤引力下各根數(shù)的變化率,把這兩部分線性疊加而得到的演化方程可以很好的近似N體模擬的結(jié)果。利用演化方程對參數(shù)空間的掃描,我們初步給出了可以形成逆行熱木星的臨界條件,并較完整地討論了各個相關(guān)參數(shù)的影響。
[Abstract]:In recent years , planetary formation theory and system dynamics have become an important field in the direction of celestial mechanics . With the development of the external planetary exploration , various exoplanets and system configurations are found to be quite different from the solar system . In this paper , we first review the main applications and the latest developments in the field of terrestrial planets related to tidal force and resonance , and then give the most classical and current most commonly used tidal models and the average rate of change of each root number . In the fifth chapter , we propose a mechanism which can reduce the critical inclination angle of the orbit excitation . In consideration of the attractive force of the outer gas disk , the orbital tilt angle caused by the long - term resonance can lead to the Kozai resonance between the planets , thus the eccentricity and inclination of the inner planets can be excited .

【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P185

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本文編號：1401159