小行星YORP效应的可探测候选体

YORP (Yarkovsky-O''Keefe-Radzievskii-Paddack)效应是小行星长期动力学演化的机制之一. 与碰撞、引力摄动等因素相比, YORP效应作用量级小, 短时标观测效应不明显, 这给直接测量YORP效应带来了很大的困难. 利用小行星光变数据库中已知的小行星数据, 统计了小行星的自转速率分布, 使用核密度估计以及Kolmogorov-Smirnov检验分别分析了近地小行星和主带小行星自转速率的分布特性, 分别给出了在近地小行星和主带小行星中寻找受YORP效应影响减速自转的最佳样本群; 基于7颗已被探测到YORP旋转加速度的近地小行星, 利用YORP强度估计方法和光变探测条件建立了筛选模型, 给出了未来可直接通过光变数据探测\lk YORP效应的10颗近地小行星.     

低质量Kepler行星的潮汐演化研究

Kepler空间计划发现了大量半径小于4 R_⊕(R_⊕为地球半径)的近轨道行星,成为Kepler探测的特色之一,它们对当前的行星形成模型提出了新的挑战.行星与其中心恒星之间的潮汐效应对重塑这类行星的轨道构型具有重要影响.基于各种初始的轨道分布数值模拟了近轨道、低质量行星的潮汐演化,定性地给出了行星最后的轨道分布特征,轨道半长轴和峰值均随着初始的半长轴和偏心率增大而变大.对于初始的平均半长轴在0.1au以内,平均偏心率大于0.25时,数值模拟结果与观测比较接近.潮汐耗散系数、恒星和行星的质量等相关参数对潮汐演化后的半长轴分布影响都比较小.基于数值模拟结果,尝试了揭示低质量行星的形成机制:它们很可能形成于原行星盘的较远处,具有中等的轨道偏心率,后来在原行星盘中经历了Ⅰ类迁移到达目前的轨道,但是这不能排除行星的当地形成机制.     

短期威胁小行星

为更明确近地小行星撞击地球威胁的监测预警需求, 提出了"短期威胁小行星"的概念, 即未来100yr内可能对地球造成撞击威胁且等效直径大于10m的近地小行星. 以目前已发现的756颗短期威胁小行星为基础, 分析短期威胁小行星的轨道分布特点, 研究显示其与一般近地小行星的轨道分布存在差异, 短期威胁小行星的轨道半长轴更集中于1au, 轨道面更集中于黄道面. 基于近地小行星的数量模型, 初步建立了短期威胁小行星的数量估计模型, 并预估了未来100yr内存在撞击可能的短期威胁小行星的总体数量. 短期威胁小行星的特定研究对制定近地小行星搜巡监测策略有重要意义.     

双星系中两子星的自转对双星轨道变化的后牛顿效应

在以前研究的基础上继续研究了双星两子星的自转对轨道变化的后牛顿效应，给出自转对轨道产生的长期摄动效应和周期摄动效应。理论结果表明，两子星的自转对轨道半长轴、轨道偏心率、近星点角和平近点经度均产生周期摄动效应，但对前两个轨道根数不产生长期摄动效,人对后两个轨道根数产生长期摄动效应，并利用理论结果对6颗双星系：EK Cep、GT Cep、NY Cep、V448 Cyg和V451 Oph中两子星的自转对轨道产生周期和长期摄动效应做了数值计算，数值结果显示：对于两个质量较大快速自转的双星系，由此产生的后牛顿铲应是不能忽视的。     

活动小行星311P/PANSTARRS的动力学lk 特性分析

311P/PANSTARRS是一颗活动小行星, 具有小行星和彗星的双重特征, 是中国``天问二号''的探测目标之一. 311P/PANSTARRS直径较小, 约为400 m, 非引力效应可能会对其长期动力学演化产生较大的影响. 通过假定不同表面组分, 研究了Yarkovsky效应对311P/PANSTARRS轨道演化的影响, 讨论了密近交汇、 非破坏性碰撞和YORP (Yarkovsky-O''Keefe-Radzievskii-Paddack)效应等非引力效应, 计算了小行星与大行星密近交汇及碰撞概率, 估计了311P/PANSTARRS达到自转周期分裂极限的时标. 模拟结果显示与纯引力模型相比, Yarkovsky效应可能会加快311P/PANSTARRS离开当前共振区域, 大约在10Myr以后311P/PANSTARRS会离开当前所在共振带, 在表面覆盖风化层的情况下有机会通过v6长期共振成为越火小行星; 在考虑YORP效应的情况下, 311P/PANSTARRS在2 Myr时标内可达到自转周期分裂极限; 在考虑Yarkovsky效应及YORP效应等因素的情况下, 311P/PANSTARRS在10 Myr时标内仍可保持其动力学稳定性, 且YORP效应不会显著影响其半长径偏移量.     

长周期彗星动力学特性统计研究

基于JPL (Jet Propulsion Laboratory)和MPC (Minor Planet Center)的彗星观测数据, 对长周期彗星(Long Period Comet, LPC)的轨道进行逆向演化, 得到其原始轨道, 并分析了LPC的观测轨道和原始轨道的动力学特性. 研究表明: LPC观测轨道半长轴倒数(1/a)_obs和原始轨道半长轴倒数(1/a)_ori分布存在显著差异, 峰值分别位于(1/a)_obs～ 2 × 10^-5au^-1和(1/a)_ori～ 6 × 10^-5au^-1; 大近日点LPC(近日点距离q > 3.1 au)和小近日点LPC (近日点距离q 3.1 au)的原始轨道(1/a)_ori峰值位置相同, 均位于1 × 10^-4au^-1; JPL和MPC数据中LPC的原始轨道(1/a)_obs峰...     

太阳质量变化对小行星轨道根数的影响

利用变质量天体力学方法研究了太阳质量变化对小行星轨道根数的影响,质量变化包括因光子辐射和太阳造成的质量损失以及因太阳吸积周围星际物质造成的质量增加两个联合因素,利用Gylden-Meshcherskii(G-M)型变质量天体轨道根数变化方程的一阶和二阶解对7颗小行星轨根数的长期和周期性的影响作了数值计算,在一阶解中太阳质量流失对小行星轨道半长轴,轨道偏心率和近点辐角的变化率产生增大作用,而质量吸积起减小作用,在二阶解中两者起到增大作用,不过质量流失不大于质量吸积的作用,故总的趋势是使半长轴,偏心率和近点辐角的变化率增大。     

内行星、卫星和密近双星的稳定性

本文从其中一个主星体具有扁率的圆型限制性三体问题出发,讨论了扁率对小天体处于Hill意义下稳定条件的影响.得到稳定范围(?)所满足的方程是:它可以根据各个系统的质量参数μ和扁率参数ν求出.将它应用到太阳系、地月系和双星系后得到的结果表明:在太阳系中所有内行星、绝大多数小行星和一些短周期彗星都是处于Hill稳定的;对于人造地球卫星,发射顺行轨道要比逆行轨道稳定一些;在双星系中,得到密近双星的二个子星不可能发生物质交换的范围和这种系统动力学演化的趋势.     

小行星族群热物理参数及分布特征研究

小行星热物理是近年来小行星研究领域的一个重要环节, 随着红外观测技术的进步, 该领域的研究取得了长足发展. 小行星发出的热辐射取决于小行星的尺寸、形状、反照率、热惯量(Gamma)、粗糙度等热物理参数. 研究小行星热物理特性的科学意义是多方面的, 比如能够帮助我们计算小行星的Yarkovsky效应和YORP (Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddackor)效应, 还能对小行星表面的表壤颗粒尺寸进行估算, 从而能更好地对小行星表面的物质成分特征进行研究. 另一方面, 研究小行星族群的热物理特性, 可进一步为研究小行星、小行星带乃至太阳系的形成和演化机制提供重要科学依据. 本文借助先进热物理模型(Advanced Thermophysical Model, ATPM), 结合相应的中红外观测资料计算了Vesta族群、Nysa-Polana族群、Pallas族群、Themis族群、 近地小行星(341843) 2008 EV5、 近地小行星(3200) Phaethon的热物理参数, 揭示了不同种类、不同族群的小行星之间热物理参数的差异和造成这些差异的原因, 以及相同族群中的小行星热物理参数的相似性, 并且基于这些差异和相似性对近地小行星和族群之间的联系及其轨道演化过程进行了讨论.
Vesta族群是由小行星(4) Vesta经历碰撞后产生的碎片形成的. 本文研究了该族群中的10颗小行星, 得到这10颗Vesta族群小行星的平均热惯量为42 $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, 平均几何反照率大小0.328, 并发现与之对应的表面粗糙度普遍较低. 此外, 对已有的主带区域小行星几何反照率进行统计后, 发现Vesta族群小行星的几何反照率普遍偏大, 基于这些热物理参数, 我们进一步估算了这10颗小行星的表壤粒径尺寸范围在0.006--1.673 mm之间. Themis族群也是小行星带中重要的族群之一, 该族群小行星物质成分比较原始, 且成员中大部分可能都有水冰的存在, 对其成员小行星的热物理特性研究可为我们提供该族群母体小行星的内部信息. 我们借助WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer)红外观测和ATPM对该族群中3颗体积较大的小行星(62) Erato、(171) Ophelia和(222) Lucia的热物理参数进行了计算, 发现3者之间的热参数大小非常接近, 从热物理的角度证明了这3颗小行星有可能是来自于同一个母体.
小行星(341843) 2008 EV5是一颗Aten型近地小行星(NEA), 光谱类型为C型, 具有潜在撞击地球的危险, 该小行星曾是欧洲空间局(ESA)的小行星探测任务Marco-Polo-R的基准探测目标, 我们借助ATPM和WISE红外观测得到2008 EV5的热惯量$\Gamma = 110_{-10}^{+30}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, 几何反照率$p_v= 0.095_{-0.003}^{+0.016}$, 有效直径$D_eff= 431_{-33}^{+6} \rm m$. 由于其热惯量相对大多数近地小行星较小, 我们推测其可能来自主带区域, 并对其1000条克隆轨道进行了逆向积分1 Myr, 发现其来自主带区域的概率为6.1%, 同时估算了表壤粒径尺寸为0.58--1.3 mm. 研究表明, 2008 EV5有可能来自于Nysa-Polana族群, 我们对这个族群中的小行星(135) Hertha的热参数进行了计算, 得到该小行星的$\Gamma = 30_{-21}^{+35}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, $p_v=0.135_{-0.034}^{+0.018}$, $D_eff=82.863_{-5.027}^{+12.937} \rm km$. 小行星(3200) Phaethon是日本航空航天局探测器(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) DESTINY+ (Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage Phaethon fLyby dUSt science)的探测目标, 其特殊的轨道形状(大偏心率、小近日点距离)导致在一个轨道周期内温度的变化幅度较大, 使之具有特殊的物理特性. 此外, 该小行星也是双子座流星雨的起源. 研究表明Phaethon起源于主带区域中的Pallas族群, 该族群是小行星带中B-type小行星的重要来源, 其成员数目不多, 但目前大部分的具有活动性的小行星均与Pallas族群相关. 本文中, 我们借助ATPM和WISE的红外观测得到Phaethon和Pallas族群小行星Zerlina的热惯量分别为: $\Gamma_Phaethon= 550_{-290}^{+920}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, $\Gamma_Zerlina=0_{-0}^{+34}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, 几何反照率分别为: $p_{v, Zerlina}=0.1435_{-0.0325}^{+0.0420}$, $p_{v, Phaethon}=0.1253_{-0.0020}^{+0.0034}$, 热参数上的差异可能是由于Phaethon较强的活动性, 当Phaethon的轨道演化至当前位置时, 其较高的近日点温度会使表面的物质发生变化, 同时观测也表明Phaethon有质量流失现象, 使得Phaethon与Pallas族群其他小行星相比, 其表面特性发生改变, 从而热物理参数也随之改变.     

热海王星系统HD 106315的近$2:1$ 平运动共振捕获与轨道演化

通过结合理论分析和数值模拟方法,可以对热海王星系统HD 106315轨道迁移中的近2:1平运动共振捕获机制以及潮汐作用下的演化过程进行研究.在轨道迁移阶段,初始轨道半长径、初始偏心率以及行星c的偏心率衰减系数K会对系统轨道构型产生影响.数值模拟结果显示当初始轨道半长径分别为ab～0.4 au、ac～0.8 au,偏心率eb和ec均小于0.03时, HD 106315b和HD 106315c在中央恒星的引力作用以及原行星盘粘滞作用下向内迁移, 65000 yr左右两颗行星均可迁移至当前观测位置附近并形成近2:1平运动共振捕获.此外,中央恒星的潮汐效应也可能会对行星系统共振构型产生影响,理论分析表明当行星潮汐耗散系数Q=100时,潮汐效应造成的轨道半长径衰减使系统轨道周期比发生的变化可能是系统脱离共振构型的原因.数值模拟结果显示, HD 106315系统内两颗行星Q103时,来自中央恒星的潮汐效应并不会使行星系统产生明显的偏心率和轨道半长径衰减,不足以使HD 106315行星系统在剩余寿命内脱离2:1平运动共振轨道构型.     

存在非同步转动的双星演化模型

通过计算双星演化中的角动量转移,研究了潮汐作用下双星系统自转与公转周期的变化以及潮汐作用对双星演化的影响.结果表明,密近双星系统在主序演化时,潮汐摩擦会在较短的时间内使自转与公转达到比较接近的状态,此后经过一个较长时间的调整才能使自转与公转达到同步转动.物质交换阶段开始后,半相接双星系统更容易出现非同步转动,而相接双星系统物质交换很难破坏系统的同步状态.同时比较了非同步双星模型与同步双星模型演化曲线在赫罗图上的不同,结果表明非同步模型在物质交换阶段主星演化曲线向赫罗图光度和有效温度高的方向移动.最后通过对统计的观测数据进行分析后发现,采用该模型可以解释观测上双星超过潮汐锁定时标后仍然存在非同步转动的现象.     

经过月球旁近的低能地月转移轨道

基于日、地、月构成的双圆问题(BCP,Bicircular Problem)研究了经过月球旁近的低能地月转移轨道,总结了这些轨道在相空间的分布特点.首先基于BCP模型,利用BCP系统的不变流形,搜索出经过月球旁近的低能地月转移轨道.然后把时间作为非自治系统相空间的增广维度,给出了能够反映出转移轨道在增广相空间分布情况的状态空间图,研究表明转移轨道以族的形式分布于相空间中,并且任意时刻都可以作为此类轨道的出发时刻.最后分析了不同转移轨道族各自速度增量、飞行时间以及系统能量的变化规律,分别得到了速度增量最优轨道族和飞行时间最优轨道族.     

环加速间隙下的脉冲星星风制动模型

为了解释间歇脉冲星PSR B1931+24在射电噪比射电宁静状态下更大的自转减慢率和模拟蟹状星云脉冲星的自转演化,建立同时考虑了具有不同加速电势的核区和环区的环加速间隙下的星风制动模型.其中对于PSR B1931+24通过计算得到它的磁场强度和磁倾角,并且预言了其理论制动指数.对于蟹状星云脉冲星,通过计算得到它的磁场强度和磁倾角,还计算得到其制动指数随周期的演化和它在周期-周期导数图上的自转演化.相比于真空加速间隙、外加速间隙等,环加速间隙也同样能够适用于星风制动模型.     

短周期彗星表面水冰升华分布研究

彗星是太阳系遗留的原始星子,研究彗星彗核的演化对理解太阳系其他天体的形成和演化历史具有重要意义.在太阳的辐射作用下,彗星携带的挥发性成分会发生升华,并带动尘埃运动,造成彗核物质的损失.因此,彗核的升华活动对其表面形貌甚至整体形状演化都会产生影响.从IAU (International Astronomical Union) MPC (Minor Planet Center)获取轨道数据,并考虑了彗核的自转以及进动,利用MONET (Mass lossdriven shape evolution model)形状演化模型对短周期彗星做数值模拟,计算得到了短周期彗星1P/Halley、9P/Tempel 1、 19P/Borrelly、 67P/C-G (Churyumov-Gerasimenko)、 81P/Wild 2和103P/Hartley 2在一个轨道周期内的太阳辐射能量以及表面侵蚀深度的分布,结合其动力学参数讨论了自转、进动和公转等特性对其表面水冰升华分布的影响以及造成南北侵蚀差异的可能性.     

近地小行星发现数目与发现场景的统计分析

近地小行星是一类可能对地球安全造成潜在威胁的太阳系小天体, 目前绝大部分的近地小行星是由地基望远镜发现的, 且数目仍在不断增加. 为了对我国未来开展近地小行星发现监测提供参考和借鉴, 利用国际小行星中心公开的数据库对所有近地小行星首次发现时刻的观测资料开展了多维度统计分析. 发现望远镜探测能力的限制会对近地小行星的发现造成选择效应, 导致不同轨道类型近地小行星发现的相对比例逐年变化且与直径有关. 另外, 结合数值模拟获得的轨道数据, 对近地小行星首次发现时的观测场景进行了还原, 获得了发现时刻近地小行星位置在不同天球坐标系的分布, 分析了其分布特征与季节、测站纬度和小行星直径的依赖关系. 最后, 通过分析数据定量考察了太阳、月球和银道面对近地小行星发现的影响, 发现地基望远镜一般难以发现来自太阳方向90$^\circ$范围内直径140m以下的近地小行星, 并且随着小行星直径的减小该限制范围也将变大; 月光污染对近地小行星发现的影响也非常显著, 望月前后几天的观测限制可导致约29%的目标无法被发现, 而且分析表明农历上半月发现的目标一般比下半月发现的更难以被跟踪观测; 银道面特别是银心方向会对近地小行星发现产生影响, 使得黄道面附近存在与季节相关的观测``盲区''.     

在电子计算机上自动推导Flora群小行星的普遍摄动I．Hansen方法应用

在IBKM 4341电子计算机上应用Hansen方法和运行Broucke R.开发的Poisson级数展开程序系统，自动推导了木星对Flora群小行星的普遍摄动，将将计算得到的摄动系数表与前人应用Bohlin群法所得相应表作了比对。由此得到结论：1．取代Bohlin群法，用在电子计算机上建立的Hansen方法程序能够既快又精确地计算小行星的普遍摄动；2．对于1000″＜n＜1100″（n为小行星的周日平均运动，单位以弧秒／日表示）情形，如果小行星轨道的偏心率e和交角i不太大，Stroemberg表是适用的，最大误差不到20″；3．对于n-1047″情形，因此时n′/n－2／7，接近通约状态（n′为木星的周日平均运动），必须计及（2－7）长周期项，而de la Villemarque所给出的公式不够精确；4．对于975″＜n＜1000″情形，Stromberg表因其精度低而不适用，当e,i较大时尤甚；5．对于n-997″情形，因此时n′／n-3/10，即接近另一种通约状态，必须计及（3－10）长周期项。     

半分析方法在地球卫星100yr尺度长期预报中的性能评估

为了能够充分掌握空间目标的长期演化规律和分布情况,对它们的轨道进行长期预报是一种常用的方法.相比于几天的短期预报,长期预报更加关心计算速度以及几个主要轨道根数的精度.这里的主要根数指的是决定轨道形状的半长径a和偏心率e以及决定轨道空间指向的轨道倾角i和升交点经度?.考虑到以上这些需求,半分析方法是一种十分合适的预报手段.它首先在一个轨道周期内消除短周期项,而后用数值方法计算剩下的平均系统.虽然半分析法不是一种新方法,但几乎找不到定量评估其性能的文献.定量给出了半分析法在常用地球卫星轨道中的精度和速度,通过这些结果可以帮助了解半分析法在长期预报中的适用性.对于半分析法在一些特殊算例中的异常表现,也讨论了原因和可能的解决方法.在半分析的实现方法和精度选择上,均采用了比较通用的方法,希望结果可以为相关半分析工作提供有价值的参考.     

基于无量纲的轨道参数开展卫星性质统计研究

目前已发现了285颗围绕太阳系八大行星公转的卫星, 它们的轨道和物理性质呈现了丰富多样性. 目前为止, 几乎所有的卫星研究工作都基于单个卫星系统或者卫星群, 似乎缺少统一的研究. 提出了一个新的与行星性质无关、只与恒星半径有关的轨道参数n, 定义为以太阳半径为单位的轨道半长轴的自然对数. 不同行星的卫星的n值都存在双极分布, 绝大部分卫星在$n\gtrsim2$区间, 其次在$n\lesssim-1$区间, 位于中间区域的行星则很少. 从卫星物理参数和轨道参数与n的关系中发现, 分属六大行星的卫星有明显的共同特征. 首先, 轨道偏心率和轨道倾角偏大的卫星的n值都在3.5左右, 它们都是巨行星的不规则卫星. 其次, n值在-1和1之间的卫星绝大部分体积大、质量大、反照率高、自转速度慢. 从文献中找到11颗系外卫星候选体, 获得了它们轨道n值和卫星质量, 发现后者也是在-1< n< 1区间最大,其他区间偏小.这些统一的 规律暗示,太阳系内不同行星的卫星形成机制以及太阳系外卫星的形成机制可能一样或类似.     

2006年5月重要天象预告

行星于太阳黄经相差180度的天文现象称为行星冲日。冲日时,当太阳西沉降入地平线,行星则从东方地平线上升起,整夜都可观测到行星。因此,冲日前后是观测地外行星(行星运行轨道在地球轨道外边的行星)的最好时机,对于地内行星则不会发生冲日现象。今年5月4日23时发生木星冲日。今年1月到3月初,木星在天秤座顺行(由西向东运行),3月5日留后在天秤座逆行直到7月7日。5月4日冲日时木星的亮度达到-2.5等。左图为今年木星运行示意图。     

金属丰度对球状星团动力学演化的影响

动力学过程和恒星演化及二者的互相影响都会对球状星团的演化产生重要影响.由于金属丰度会影响恒星的演化轨迹,与之相伴随的恒星质量损失率的变化也会对球状星团的动力学过程造成影响.通过一系列N体模拟研究金属丰度对球状星团的质量损失率、半径等的影响,并分析其原因,同时研究了大质量恒星以及星团初始数密度分布的影响.模拟中采用的球状星团模型初始成员星数目N=50000,运行于类银河系的引力势中并考虑成员星的演化.结果显示,由于低金属丰度恒星拥有较快的演化时标,所以贫金属球状星团在早期会拥有较高的质量损失,但与此同时它们的核塌缩时间会比后者显著推迟,因此在核塌缩之后其质量损失会被富金属星团反超.另外由于大质量恒星演化导致的质量损失较大,所以大质量星的存在会使金属丰度更加显著地影响球状星团早期的扩张以及随后的核塌缩过程,同时星团的初始数密度分布也对该效应有着不可忽视的影响.