行星自转动力学的有关问题

本文介绍了国外有关行星自转动力学的研究概况,对1968至1981年期间发表的结果做了评述。 主要内容有:水星的3:2轨旋共振的理论解释;水星自转运动中的液核效应;金星缓慢逆向自转的机制问题;火星自转速率的季节性变化以及火星自转轴的运动(发差和章动);类木行星和冥王星的自转问题等。     

对月球形状的估算

1799年,Laplace发现月球的3个主惯量矩,与月球的轨道和自转状态并不相符.有些学者认为,这可能是现在的月球仍保留了早期的"化石"形状.大约在三十多亿年前,月球曾经离地球很近并且转得较快,然后月球逐渐迁移远离地球并且转动得慢了下来.在此迁移的较早时期,月球受到了引潮力和自转离心力的作用,成为一个椭球体.并且很快凝固.所幸的是,固态月球的岩石圈较为稳定,使我们现在仍然能够看到很早时期月球的形状.文中利用月球天平动参数以及引力场系数,计算了椭球体3个主向径a,b,c的长度和月球的平衡潮形状,得到如下3个结论:(1)开始时月球离地球是非常近的,大约在三十亿年前月球可能已经冷却和固化,现在的月球基本上保留了凝结时的形状.(2)证明了液态月球的潮汐形变是月球平衡潮高度的1.934倍.因此用月球引力场推算月球形状时,必需考虑到流体勒夫数hf=1.934的影响.(3)根据月球三个主轴a,6,c的长度之差,推算了月球临凝固时的月地距离为1.7455×1O8m,自转周期为3.652 day.从而推算出月球临凝固时的恒星月长度为8.34day.因此在月球凝结时,月球被锁定在与自转速率比为2:1的共振轨道上.     

金星自转演化的一种可能解释

本文从理论上估计了金星由于受太阳东西向潮汐力矩作用,而引起金星自转速率的长期变化;并根据金星探测器对金星大气的探测结果,表明它具有稳定的向西环流,从而可得其对金星自转的影响。本文的讨论,证明了金星形成初期是一快速顺向自转的天体,仅太阳的潮汐力矩不可能解释它的自转演化。如果取金星形成之后初始自转周期T_0=15小时,则大气逆向环流与太阳潮的合力矩作用引起金星自转速率变化为: ω(T)=[1647″+δ_i×19705′.′5sin(4.°58(T_0/T))]/世纪~2{δ_i=+1,金星顺转 δ_i=-1,金星逆转}可以估计经t_1=3.22×10~9年,其自转与目前的轨道周期同步。又经t_2=1.19×10~7年,达今天的逆转243天周期。     

几何因素对脉冲星自转参数的影响

脉冲星自转参数是脉冲星最重要的参数之一,能反映脉冲星本身的物理性质.根据计时观测所得的自转参数除了包含脉冲星本身固有的部分,还受到几何因素的影响,例如地球自转参数、岁差章动模型、行星历表误差、脉冲星相对于太阳系质心(solar system barycenter,SSB)的速度和加速度.通过分析脉冲星计时观测模型,从而推导出这些因素与脉冲星自转参数的关系,进一步估计了这些因素对自转参数影响的量级大小.在现有的观测精度下,地球自转参数和岁差章动模型的误差对计时观测的影响可忽略,可以认为脉冲星自转参数不受其影响.行星历表误差对自转参数的影响远小于自转参数本身,同样可以忽略.脉冲星相对于太阳系质心的视向速度影响到脉冲星周期,该影响比脉冲星本身周期约小4个量级.值得注意的是,脉冲星横向速度和脉冲星相对于太阳系质心的视向加速度对周期变率的影响不可忽略,特别是对于周期变率较小的毫秒脉冲星来说,这两个因素的影响可能是脉冲星视周期变率中的主要成分.     

月球的形状及其物理参数

本文简要评述了研究月球形状的一般理论和已取得的主要结论,包括对月球进行空间探测(包括Doppler跟踪和LLR观测)以来,在这一领域内发生的重大变化,它们涉及月球内部密度分布模型的建立,对月核大小限制的讨论,月球的弹性以及自转能量耗散等问题。最后,综合这一领域内已获得的研究成果,提出了一项有关选择月球物理参数采用值的建议。     

河外星系动力学质量的多途径测定

利用伴天体(含伴星系、球状星团、晕族天体等)的运动学观测资料,可通过多种方法估测主星系的质量(动力学质量),如自转质量、位力质量、轨道质量、投影质量、示踪质量以及星流法质量等。在诸多已测得动力学质量的河外星系中,以仙女星系(M31)的相关工作为最多,对此做了简要的介绍和讨论。     

小行星主带上单个行星的质量上限

介绍了N体模拟的Hermite算法,并利用该算法研究了不同质量行星在小行星主带上轨道的演化情况．采用的演化模型是太阳系N体模型(N=7),即把水星、金星、地球的质量加到太阳上,忽略冥王星,同时在小行星主带附近增加一个假想行星,系统演化时间为1亿年．数值模拟显示能够稳定存在于小行星主带上的单个天体的质量上限其量级为10~(25)kg．模拟同时还显示在某些情况下,假想行星与木星之间的低阶共振可以增强系统的稳定性．     

金星和水星的内部结构模型

本文采用空间探测获得的金星和水星的质量和半径测定值,通过求解Emden方程分别建立了4个金星和水星的内部结构模型,图1至图3绘出了内部密度和压力分布曲线。计算出无量纲惯性矩C/MR~2后,导出了动力学扁率(C-A)/C的可能的取值范围:金星为(1.68～1.83)×10~(-5);水星为(5～6)×10~(-4)(上限值)。     

恒星的较差自转和谱线轮廓

本文主要研究了三个问题:(i)较差自转对谱线形状的影响;(ii)较差自转对测定恒星赤道自转速度的影响;(iii)发现较差自转的可能性.我们得到了两个主要的结果:(i)在目前的观测精度下,恒星的较差自转不能从谱线轮廓的研究中去发现;(ii)对于一个有较差自转的恒星,若把它当作刚体自转来处理,则所定出的赤道自转速度就低于真值.测定值和真值的差别可以根据(8)式近似地估计.     

系外行星的形状与其内部结构

随着观测技术不断进步,已经有了很多对系外行星扁率和拱点进动的观测进展.行星的扁率是由行星的内部密度剖面与其自转决定的,勒夫数k_2与其核的大小存在明显的负相关.故扁率与k_2可以很好地限定系外行星的内部结构.从Lane-Emden方程出发,构建了不同多方指数下的行星模型.继而通过解算Wavre的积分微分方程得到其扁率,结果表明:多方指数越小,自转越快,扁率越大.从NASA(美国国家航空航天局)系外行星表中,挑选了469个同时具有质量、半径和轨道周期观测或估算值的系外行星,在两种不同自转周期假设下,计算了它们的扁率.结果表明:如果采用潮汐锁定假设,绝大多数系外行星的扁率非常小,约97%的行星小于0.01,难以被观测到;而在固定的10.55 h自转周期假设下,有28%的行星扁率大于0.1.通过解算Zharkov简化的2阶微分方程,得到了不同多方模型下的勒夫数,并讨论了k_2与核大小的关系.     

小行星(26)Proserpina的测光观测和建模研究

2011年12月到2012年2月期间对小行星(26)Proserpina进行了时序测光观测,获得其自转的会合周期为p=(13.107±0.002)h.结合历史测光数据,采用光变曲线凸壳反演方法对其自转状态和形状进行反演研究,并提出采用Bootstrap方法对反演参数进行误差估计.测定出(26)Proserpina是一个逆转的小行星,其极轴指向解为λ1=90.8?±1.4?,β1=-53.1?±3.2?和λ2=259.3?±2.2?,β2=-62.0?±2.0?;测定其自转的恒星周期为(13.109777±3.8×10-6)h;并基于两个极轴解反演出互为镜像的凸壳形状模型.     

由南北朝以前171个月掩星记录所得到的地球自转长期变化

应用“实际可见时间段”方法研究中国古代只有日期而无观测时刻的月掩星记录,文中讨论了这些记录的真实性及其含义,由南北朝以前的58个月掩行星和113个月掩恒星记录分别得到公元1,4,5,6世纪的地球自转参数△t和ω平均值为ω=-66.8秒/世纪~2。     

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.     

天体测量法探测系外行星

在目前已发现的系外行星中,绝大多数是由视向速度法和凌星法探测得到的,天体测量法仅发现了1颗.gaia卫星数据即将发布,天体测量法将逐步成为系外行星探测的重要方法之一.基于天体测量法给出的恒星位置参数序列,讨论了在求解行星质量和轨道参数时涉及的动力学条件方程计算问题,给出了具体微分改正公式,同时也进行了必要的仿真模拟计算.建立的方法可以较容易地推广到多行星系统.     

木星探测轨道分析与设计

研究了与木星探测相关的轨道设计问题.重点关注木星探测轨道与火星、金星等类地行星探测轨道的不同及由此带来的轨道设计难点.首先分析了绕木星探测任务轨道的选择.建立近似模型讨论了向木星飞行需要借助多颗行星的多次引力辅助,对地木转移的多种行星引力辅助序列,使用粒子群算法搜索了2020年至2025年之间的燃料最省飞行方案并对比得到了向木星飞行较好的引力辅助方式为金星-地球-地球引力辅助.结合多任务探测,研究了航天器在飞向木星途中穿越主小行星带飞越探测小行星的轨道设计.最后,给出2023年发射完整的结合引力辅助与小行星多次飞越的木星探测轨道设计算例.     

大事聚焦

日期内容8月4日.“轨道太阳天文台7号”首次探测到高能太阳,射线谱线(1972)8月6日.美国宇航局宣布在火星陨石A山840(刃1中发现原始微生物化石(1996)8月7日.“水手7号‘,在3500千米处掠过火星,发回126幅高质量照片,主要是火星南半球的图像(l%9)。8月10日.美国天文学家霍尔发现火星外侧的卫星—火卫二(1877).“月球轨道1号”发射(1966),此后陆续发射的2一5号,均获成功,提供了月球表面的高质量图像。.“麦哲伦”进人环金星轨道,开始执行雷达测绘金星表面的计划(1990),1994年菜月n日在金星大气中烧毁。8月13日.威特发现爱神星(,J、行星433号)( …     

行星形成方式的探讨

行星形成的方式,目前主要有两种见解:一种认为,行星是星子集聚而成,另一种认为,行星是由星云物质经过势井聚集为原行星而形成。笔者认为,角动量守恒定律,是认识太阳系起源和行星、卫星形成方式的重要钥匙。某一行星区的星云物质绕太阳转动的角动量总和(A_c)减去该区今日行星轨道角动量(A_p)应当等于该区行星自转角动量(A_r),即A_c-A_p=△A=A_r。但计算结果,A_c-A_p=△A>A_r。这就证明,行星是经过星云环形成的。文中计算了星云环内外边界的位置,即星云环的宽度,并提出一些新的看法,可能为行星形成方式的研究提供一些有益的线索。     

室女团盘星系自转向量的分布Ⅰ.室女天区310个盘星系的表

为进一步研究室女星系团盘星系自转向量的分布,本文编制了该天区有UGC发表的方位角或直径数据的310个盘星系的表(81个S0系,229个S Irr系),其中有UGC发表的方位角的星系为245个(67个S0系,178个S Irr系)。对能证认身份的所有星系的星系云,群归属均已在表中注明。本文还讨论了表列星系的一些基本统计特征,为室女团盘系自转向量分布的研究提供了迄今为止可能是最大的,3组完整的代表性样品。     

弹性地球各种几何轴和物理轴的定义

基于经典的弹性地球自转动力学理论,建立了极移和章动的联合动力学方程。由此给出了弹性地球各种几何轴和物理轴(Tisserand轴、自转轴、瞬时形状轴、角动量轴、CEP和CIP轴)的极移、岁差章动的动力学方程,明确了各种轴的定义及其之间的理论关系。理论研究表明,联合动力学方程要比经典动力学方程综合性强易于理解,可同时求解极移和章动,特别是在文[1]理论中出现的倾斜模(TOM),在此只是作为了一个特解而存在。     

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.