对火星轨道变化问题的最后解释-《死在火星上》


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    In  Fig.  7,  the  total  orbital  energy  and  angular  momentum  of  the  four  inner  planets  and  all  nine  planets  are  shown  for  integration  N+2.  The  upper  three  panels  show  the  long-periodic  variation  of  total  energy  (denoted  asE-  E0),  total  angular  momentum  (  G-  G0),  and  the  vertical  component  (  H-  H0)  of  the  inner  four  planets  calculated  from  the  low-pass  filtered  Delaunay  elements.E0,  G0,  H0  denote  the  initial  values  of  each  quantity.  The  absolute  difference  from  the  initial  values  is  plotted  in  the  panels.  The  lower  three  panels  in  each  figure  showE-E0,G-G0  andH-H0  of  the  total  of  nine  planets.  The  fluctuation  shown  in  the  lower  panels  is  virtually  entirely  a  result  of  the  massive  jovian  planets.

    Comparing  the  variations  of  energy  and  angular  momentum  of  the  inner  four  planets  and  all  nine  planets,  it  is  apparent  that  the  amplitudes  of  those  of  the  inner  planets  are  much  smaller  than  those  of  all  nine  planets:  the  amplitudes  of  the  outer  five  planets  are  much  larger  than  those  of  the  inner  planets.  This  does  not  mean  that  the  inner  terrestrial  planetary  subsystem  is  more  stable  than  the  outer  one:  this  is  simply  a  result  of  the  relative  smallness  of  the  masses  of  the  four  terrestrial  planets  compared  with  those  of  the  outer  jovian  planets.  Another  thing  we  notice  is  that  the  inner  planetary  subsystem  may  become  unstable  more  rapidly  than  the  outer  one  because  of  its  shorter  orbital  time-scales.  This  can  be  seen  in  the  panels  denoted  asinner  4  in  Fig.  7  where  the  longer-periodic  and  irregular  oscillations  are  more  apparent  than  in  the  panels  denoted  astotal  9.  Actually,  the  fluctuations  in  theinner  4  panels  are  to  a  large  extent  as  a  result  of  the  orbital  variation  of  the  Mercury.  However,  we  cannot  neglect  the  contribution  from  other  terrestrial  planets,  as  we  will  see  in  subsequent  sections.

    4.4  Long-term  coupling  of  several  neighbouring  planet  pairs

    Let  us  see  some  individual  variations  of  planetary  orbital  energy  and  angular  momentum  expressed  by  the  low-pass  filtered  Delaunay  elements.  Figs  10  and  11  show  long-term  evolution  of  the  orbital  energy  of  each  planet  and  the  angular  momentum  in  N+1  and  N?2  integrations.  We  notice  that  some  planets  form  apparent  pairs  in  terms  of  orbital  energy  and  angular  momentum  exchange.  In  particular,  Venus  and  Earth  make  a  typical  pair.  In  the  figures,  they  show  negative  correlations  in  exchange  of  energy  and  positive  correlations  in  exchange  of  angular  momentum.  The  negative  correlation  in  exchange  of  orbital  energy  means  that  the  two  planets  form  a  closed  dynamical  system  in  terms  of  the  orbital  energy.  The  positive  correlation  in  exchange  of  angular  momentum  means  that  the  two  planets  are  simultaneously  under  certain  long-term  perturbations.  Candidates  for  perturbers  are  Jupiter  and  Saturn.  Also  in  Fig.  11,  we  can  see  that  Mars  shows  a  positive  correlation  in  the  angular  momentum  variation  to  the  Venus–Earth  system.  Mercury  exhibits  certain  negative  correlations  in  the  angular  momentum  versus  the  Venus–Earth  system,  which  seems  to  be  a  reaction  caused  by  the  conservation  of  angular  momentum  in  the  terrestrial  planetary  subsystem.

    It  is  not  clear  at  the  moment  why  the  Venus–Earth  pair  exhibits  a  negative  correlation  in  energy  exchange  and  a  positive  correlation  in  angular  momentum  exchange.  We  may  possibly  explain  this  through  observing  the  general  fact  that  there  are  no  secular  terms  in  planetary  semimajor  axes  up  to  second-order  perturbation  theories  (cf.  Brouwer  &  Clemence  1961;  Boccaletti  &  Pucacco  1998).  This  means  that  the  planetary  orbital  energy  (which  is  directly  related  to  the  semimajor  axis  a)  might  be  much  less  affected  by  perturbing  planets  than  is  the  angular  momentum  exchange  (which  relates  to  e).  Hence,  the  eccentricities  of  Venus  and  Earth  can  be  disturbed  easily  by  Jupiter  and  Saturn,  which  results  in  a  positive  correlation  in  the  angular  momentum  exchange.  On  the  other  hand,  the  semimajor  axes  of  Venus  and  Earth  are  less  likely  to  be  disturbed  by  the  jovian  planets.  Thus  the  energy  exchange  may  be  limited  only  within  the  Venus–Earth  pair,  which  results  in  a  negative  correlation  in  the  exchange  of  orbital  energy  in  the  pair.

    As  for  the  outer  jovian  planetary  subsystem,  Jupiter–Saturn  and  Uranus–Neptune  seem  to  make  dynamical  pairs.  However,  the  strength  of  their  coupling  is  not  as  strong  compared  with  that  of  the  Venus–Earth  pair.

    5  ±  5  ×  1010-yr  integrations  of  outer  planetary  orbits

    Since  the  jovian  planetary  masses  are  much  larger  than  the  terrestrial  planetary  masses,  we  treat  the  jovian  planetary  system  as  an  independent  planetary  system  in  terms  of  the  study  of  its  dynamical  stability.  Hence,  we  added  a  couple  of  trial  integrations  that  span  ±  5  ×  1010  yr,  including  only  the  outer  five  planets  (the  four  jovian  planets  plus  Pluto).  The  results  exhibit  the  rigorous  stability  of  the  outer  planetary  system  over  this  long  time-span.  Orbital  configurations  (Fig.  12),  and  variation  of  eccentricities  and  inclinations  (Fig.  13)  show  this  very  long-term  stability  of  the  outer  five  planets  in  both  the  time  and  the  frequency  domains.  Although  we  do  not  show  maps  here,  the  typical  frequency  of  the  orbital  oscillation  of  Pluto  and  the  other  outer  planets  is  almost  constant  during  these  very  long-term  integration  periods,  which  is  demonstrated  in  the  time–frequency  maps  on  our  webpage.

    In  these  two  integrations,  the  relative  numerical  error  in  the  total  energy  was  ~10?6  and  that  of  the  total  angular  momentum  was  ~10?10.

    5.1  Resonances  in  the  Neptune–Pluto  system

    Kinoshita  &  Nakai  (1996)  integrated  the  outer  five  planetary  orbits  over  ±  5.5  ×  109  yr  .  They  found  that  four  major  resonances  between  Neptune  and  Pluto  are  maintained  during  the  whole  integration  period,  and  that  the  resonances  may  be  the  main  causes  of  the  stability  of  the  orbit  of  Pluto.  The  major  four  resonances  found  in  previous  research  are  as  follows.  In  the  following  description,λ  denotes  the  mean  longitude,Ω  is  the  longitude  of  the  ascending  node  and  ?  is  the  longitude  of  perihelion.  Subscripts  P  and  N  denote  Pluto  and  Neptune.

    Mean  motion  resonance  between  Neptune  and  Pluto  (3:2).  The  critical  argument  θ1=  3  λP?  2  λN??P  librates  around  180°  with  an  amplitude  of  about  80°  and  a  libration  period  of  about  2  ×  104  yr.

    The  argument  of  perihelion  of  Pluto  ωP=θ2=?P?ΩP  librates  around  90°  with  a  period  of  about  3.8  ×  106  yr.  The  dominant  periodic  variations  of  the  eccentricity  and  inclination  of  Pluto  are  synchronized  with  the  libration  of  its  argument  of  perihelion.  This  is  anticipated  in  the  secular  perturbation  theory  constructed  by  Kozai  (1962).

    The  longitude  of  the  node  of  Pluto  referred  to  the  longitude  of  the  node  of  Neptune,θ3=ΩP?ΩN,  circulates  and  the  period  of  this  circulation  is  equal  to  the  period  of  θ2  libration.  When  θ3  becomes  zero,  i.e.  the  longitudes  of  ascending  nodes  of  Neptune  and  Pluto  overlap,  the  inclination  of  Pluto  becomes  maximum,  the  eccentricity  becomes  minimum  and  the  argument  of  perihelion  becomes  90°.  When  θ3  becomes  180°,  the  inclination  of  Pluto  becomes  minimum,  the  eccentricity  becomes  maximum  and  the  argument  of  perihelion  becomes  90°  again.  Williams  &  Benson  (1971)  anticipated  this  type  of  resonance,  later  confirmed  by  Milani,  Nobili  &  Carpino  (1989).

    An  argument  θ4=?P??N+  3  (ΩP?ΩN)  librates  around  180°  with  a  long  period,~  5.7  ×  108  yr.

    In  our  numerical  integrations,  the  resonances  (i)–(iii)  are  well  maintained,  and  variation  of  the  critical  arguments  θ1,θ2,θ3  remain  similar  during  the  whole  integration  period  (Figs  14–16  ).  However,  the  fourth  resonance  (iv)  appears  to  be  different:  the  critical  argument  θ4  alternates  libration  and  circulation  over  a  1010-yr  time-scale  (Fig.  17).  This  is  an  interesting  fact  that  Kinoshita  &  Nakai's  (1995,  1996)  shorter  integrations  were  not  able  to  disclose.

    6  Discussion

    What  kind  of  dynamical  mechanism  maintains  this  long-term  stability  of  the  planetary  system?  We  can  immediately  think  of  two  major  features  that  may  be  responsible  for  the  long-term  stability.  First,  there  seem  to  be  no  significant  lower-order  resonances  (mean  motion  and  secular)  between  any  pair  among  the  nine  planets.  Jupiter  and  Saturn  are  close  to  a  5:2  mean  motion  resonance  (the  famous  ‘great  inequality’),  but  not  just  in  the  resonance  zone.  Higher-order  resonances  may  cause  the  chaotic  nature  of  the  planetary  dynamical  motion,  but  they  are  not  so  strong  as  to  destroy  the  stable  planetary  motion  within  the  lifetime  of  the  real  Solar  system.  The  second  feature,  which  we  think  is  more  important  for  the  long-term  stability  of  our  planetary  system,  is  the  difference  in  dynamical  distance  between  terrestrial  and  jovian  planetary  subsystems  (Ito  &  Tanikawa  1999,  2001).  When  we  measure  planetary  separations  by  the  mutual  Hill  radii  (R_),  separations  among  terrestrial  planets  are  greater  than  26RH,  whereas  those  among  jovian  planets  are  less  than  14RH.  This  difference  is  directly  related  to  the  difference  between  dynamical  features  of  terrestrial  and  jovian  planets.  Terrestrial  planets  have  smaller  masses,  shorter  orbital  periods  and  wider  dynamical  separation.  They  are  strongly  perturbed  by  jovian  planets  that  have  larger  masses,  longer  orbital  periods  and  narrower  dynamical  separation.  Jovian  planets  are  not  perturbed  by  any  other  massive  bodies.

    The  present  terrestrial  planetary  system  is  still  being  disturbed  by  the  massive  jovian  planets.  However,  the  wide  separation  and  mutual  interaction  among  the  terrestrial  planets  renders  the  disturbance  ineffective;  the  degree  of  disturbance  by  jovian  planets  is  O(eJ)(order  of  magnitude  of  the  eccentricity  of  Jupiter),  since  the  disturbance  caused  by  jovian  planets  is  a  forced  oscillation  having  an  amplitude  of  O(eJ).  Heightening  of  eccentricity,  for  example  O(eJ)~0.05,  is  far  from  sufficient  to  provoke  instability  in  the  terrestrial  planets  having  such  a  wide  separation  as  26RH.  Thus  we  assume  that  the  present  wide  dynamical  separation  among  terrestrial  planets  (>  26RH)  is  probably  one  of  the  most  significant  conditions  for  maintaining  the  stability  of  the  planetary  system  over  a  109-yr  time-span.  Our  detailed  analysis  of  the  relationship  between  dynamical  distance  between  planets  and  the  instability  time-scale  of  Solar  system  planetary  motion  is  now  on-going.

    Although  our  numerical  integrations  span  the  lifetime  of  the  Solar  system,  the  number  of  integrations  is  far  from  sufficient  to  fill  the  initial  phase  space.  It  is  necessary  to  perform  more  and  more  numerical  integrations  to  confirm  and  examine  in  detail  the  long-term  stability  of  our  planetary  dynamics.

    ——以上文段引自  Ito,  T.&  Tanikawa,  K.  Long-term  integrations  and  stability  of  planetary  orbits  in  our  Solar  System.  Mon.  Not.  R.  Astron.  Soc.  336,  483–500  (2002)

    这只是作者君参考的一篇文章,关于太阳系的稳定性。

    还有其他论文,不过也都是英文的,相关课题的中文文献很少,那些论文下载一篇要九美元(《Nature》真是暴利),作者君写这篇文章的时候已经回家,不在检测中心,所以没有数据库的使用权,下不起,就不贴上来了。


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