【摘要】： Kuiper帶天體,簡稱KBOs,是在海王星外新發(fā)現(xiàn)的一群類冰狀繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的小天體。它們大部分分布在距太陽30～50AU處的一個(gè)環(huán)形帶中。一般認(rèn)為,KBOs是早期太陽系演化過程的殘余,對它們的研究可能會(huì)得到太陽系早期許多最原始的信息,這不僅會(huì)促進(jìn)我們對太陽系形成和演化的認(rèn)識(shí),而且還會(huì)對太陽系外行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和理論研究提供有重要價(jià)值的參考。本文依據(jù)天體力學(xué)的N體問題理論,對目前已觀測到的具有可靠軌道根數(shù)的KBOs的軌道演化進(jìn)行了反向數(shù)值模擬,即以現(xiàn)在所觀測的KBOs的軌道根數(shù)為初始條件,反推它們以前的軌道運(yùn)行狀態(tài),從而確定它們在太陽系早期的軌道特性。 本文的研究工作主要有三大部分: (1)在太陽、類地行星、木星、土星、海王星、冥王星、UB313和KBOs的N體問題模型中,應(yīng)用SWIFT程序包中的RMVS3積分器對目前所觀測到的具有確定軌道的551個(gè)KBOs做了時(shí)間跨度為1×109年的軌道演化模擬。積分方向逆著時(shí)間前進(jìn)的方向,目的是探求1×109年前KBOs的原始軌道分布狀態(tài)。 (2)在(1)的基礎(chǔ)上,對除了冥王星和UB313以外的其它549顆KBOs的ω、?和M取2次隨機(jī)值,得到1098顆虛擬粒子。重復(fù)(1)的實(shí)驗(yàn),目的是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)(1)結(jié)果的正確性。 (3)隨機(jī)抽取了由遙遠(yuǎn)的太陽系外部邊緣進(jìn)入到Kuiper帶中的小部分Kuiper帶天體,進(jìn)行時(shí)間跟蹤分析,目的是詳細(xì)了解它們的軌道演化過程。 本文研究所得主要結(jié)論如下: (1)KBOs中的一部分可能是由該處的原始星云形成,而另外一部分來自距離太陽更遙遠(yuǎn)的地方。對天體軌道演化的跟蹤研究顯示,海王星3:2共振區(qū)附近的天體絕大部分來自50AU之外的區(qū)域,而經(jīng)典KBOs的大部分原來就在35～50AU區(qū)間。 (2)Kuiper帶天體的一部分來源于高軌道傾角和較大偏心率的遙遠(yuǎn)天體。在進(jìn)入Kuiper帶的演化過程中,多數(shù)的偏心率和軌道傾角在減小,但是進(jìn)入共振帶的一般較大。 (3)對部分KBOs的跟蹤顯示,其被俘獲進(jìn)Kuiper帶之前的奇妙的運(yùn)行狀態(tài)和被俘獲之后復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而推斷太陽系外部小行星、彗星和KBOs之間的一種可能的相互轉(zhuǎn)化。 本文的創(chuàng)新點(diǎn): 以往有許多研究者采用數(shù)值方法模擬Kuiper帶的形成。他們都是假定一系列初始條件,試圖通過改變某些可調(diào)參數(shù),獲得目前觀測到的天體軌道分布狀態(tài)。這種做法很難獲得理想結(jié)果,而且工作量太大。我們創(chuàng)新了一種解決辦法,以目前實(shí)際觀測數(shù)據(jù)為模擬初始條件,進(jìn)行軌道“反演”模擬,倒退計(jì)算到太陽系形成的初期,追溯KBOs的原始“真實(shí)“分布狀態(tài)。 本文研究的遺憾之處在于不能將KBOs對大行星的影響考慮在內(nèi);而對于原來處于Kuiper帶位置而在后來逸出太陽系的天體,由于已經(jīng)不可能再找到它們的信息,也無法對其進(jìn)行跟蹤,這可能會(huì)使得某些演化信息得不到再現(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：P185
【圖文】：

圖 1.1 每年發(fā)現(xiàn)的 KBOs 數(shù)量隨時(shí)間的變化§1.3 Kuiper 帶研究的意義在 Kuiper 帶發(fā)現(xiàn)前，太陽系起源和演化的研究曾一度幾乎停止不前，原因一是太陽系本身只有一個(gè)樣品，不像恒星那樣處在各演化過程的都有；二是天體相互作用非常復(fù)雜，難以得到動(dòng)力學(xué)方程的解析解；三是太陽系行星都經(jīng)過了幾十億年的演化，難以找到太陽系形成早期的信息。由于 KBOs 遠(yuǎn)離太陽和大行星，而且質(zhì)量小，演化慢，被認(rèn)為是太陽系形成最初時(shí)留下的殘骸，它可能保留有太陽系形成時(shí)最原始的信息。因此 Kuiper 帶的發(fā)現(xiàn)和研究將對太陽系形成和演化的研究起到重大的推動(dòng)作用。此外，觀測還新發(fā)現(xiàn)了幾顆具有類似冥王星-卡戎（Pluto-charon）[24]結(jié)構(gòu)的 KBOs 雙星，如1998WW31、2001QW322等[25]。因此，對 KBOs 的研究也是理解 KBOs 中某些特殊星體（比如雙星）和短周期彗星起源的關(guān)鍵。尤其是近幾年來，大量觀

道特性、動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)及其起源和演化都富有成效，初見成果[27-37]。本章將要就 KBOs 動(dòng)力學(xué)研究的當(dāng)前成果和最新進(jìn)展進(jìn)行概括和討論。§2.1 Kuiper 帶的概況Kuiper 帶是一個(gè)數(shù)量非常龐大的小行星群，目前已觀測到 1000 多顆，大多數(shù)分布在海王星之外 30AU 到 50AU 之間，在黃道面附近運(yùn)行，整體一扁平的盤狀，這和存在扁平的彗星帶的觀測結(jié)果一致。此處的天體也被為“Trans－Neptunian Objects”，簡稱 TNOs。但是人們猜測，KBOs 不止此，它會(huì)繼續(xù)向外延伸，最外層可能到達(dá) Oort 云的內(nèi)核[6]。據(jù)估計(jì)，直徑 100km 以上的天體可有 70,000 顆[28]，而小天體的總數(shù)可達(dá)到 109的數(shù)量[29]。圖 2.1 是 Kuiper 帶的示意圖，可見其延伸的廣闊空間。根據(jù)已觀測到的 KBOs 的動(dòng)力學(xué)特性，人們一般把它們劃分為三種類型：

在軌道半長徑一定的情況下，天體的軌道偏心率越大，其近日點(diǎn)距離越小。但海王星平運(yùn)動(dòng)共振帶中的天體即使具有較高偏心率（ e >0.1）大多數(shù)的軌道仍然是穩(wěn)定的，這主要是由于平運(yùn)動(dòng)共振提供了在近日點(diǎn)使其遠(yuǎn)離海王星的保護(hù)機(jī)制。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)共振帶中oi ≥25的天體不是很穩(wěn)定。（3）35AU～36AU 和 40AU～42AU 兩個(gè)區(qū)域是非常不穩(wěn)定區(qū)域。這兩個(gè)區(qū)域中的天體在 107年內(nèi)其偏心率就會(huì)被提升到較高值，從而與海王星相遇。而這些區(qū)域被發(fā)現(xiàn)存在長期共振[63]。（4）42AU 以外偏心率小于 0.2 的區(qū)域是非常穩(wěn)定區(qū)域。因?yàn)檐壍腊腴L軸越大，近日點(diǎn)距離越大。因此這個(gè)區(qū)域的天體遠(yuǎn)離海王星，受其攝動(dòng)作用很弱，軌道很穩(wěn)定。該數(shù)值模擬的結(jié)果能解釋 KBOs 軌道部分觀測特性，但不能說明當(dāng)前的分布狀態(tài)。

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本文編號(hào)：2759603