共轨小天体动力学研究

Asteroids are "fossils" from the early stage of the Solar system's formation and have witnessed its dynamical evolution, so that important clues to the Solar system's history may be found in asteroids' distribution in space and their orbital properties. Trojan clouds around the planets orbits are the second largest reservoir of asteroids in the solar system, next only to the Kuiper belt. We propose to investigate the orbital dynamics and dynamical origin of the co-orbital asteroids of planets, including the asteroids on the tadpole orbits (i.e. Trojan asteroids), horseshoe orbits and quasi-satellite orbits. We will study their distribution in space and their orbital stabilities; find the interchange rates between different orbital types; reveal the mechanisms that dominate their long term motion; investigate the interaction between them and asteroids in other mean motion resonances; and discuss the possible origins and the final destinations of these co-orbital asteroids. We will also study the orbital transferring and the resonance hopping of asteroids that make rapid transitions from heliocentric orbits outside the orbit of a planet to orbits inside the planet and vice versa. We will focus on the rapid transitions through the co-orbital orbits and/or through the so called "weak stability boundary" around the collinear equilibrium points L1 and L2 of the planet. In order to find more information of the dynamical evolution history of the Solar system, we also propose to study the influence of the planetary configuration's variation on the results of the investigations mentioned above.

太阳系小天体是太阳系形成和动力学演化过程的见证者，它们的空间分布和轨道特征蕴含着太阳系演化历史的重要信息，行星的脱洛央区是太阳系内仅次于柯伊伯带的重要的小天体聚集区。本项目拟以包括脱洛央天体在内的行星共轨小天体为对象，研究太阳系各行星的各类型共轨天体的轨道动力学，分析它们可能的空间分布、轨道特征、稳定性、各类型共轨轨道的发生范围，揭示形成它们的轨道特征的动力学机制，讨论各行星共轨天体的起源和可能归宿，研究它们与其他共振小天体的相互作用。本项目还拟研究小天体经由共轨轨道在行星轨道的内外两侧间的轨道转移和共振跳转，讨论这些过程在太阳系小天体分布的形成和物质输运中所起的作用，讨论太阳系行星轨道构型的变化对共轨小天体动力学的影响以及对上述轨道转移和共振跳转的影响。除了理解当前太阳系的动力学之外，这些研究将有助于反溯太阳系演化历史。

太阳系内共轨天体是与主天体（行星）发生1/1共振的天体，具有复杂的轨道特征，共轨天体的存在性、轨道稳定性蕴含着太阳系起源与演化的重要信息。本项目主要研究内容为太阳系行星的特洛伊天体的轨道运动特征、特洛伊天体与其他天体的相互作用、经由行星系统共轨区域发生的轨道转移以及与此主题相关的其他天体的动力学问题。项目执行期间，我们对当时已知的所有的海王星特洛伊天体的轨道进行了分析和分类，在半人马座小行星群中证认了一颗新的临时海王星特洛伊天体。我们详细分析了海王星特洛伊天体与冥族小天体之间的相互作用，彻底澄清了两群天体的轨道根数、质量分布等参数对它们相互之间近密交会的动力学效果的影响，由此项研究所发展出来的结合解析计算、数值模拟、统计分析的综合方法可方便地推广至其他任意空间上相邻的两群小天体之间相互作用研究。我们对地球特洛伊区域进行了详细刻画，给出了影响地球特洛伊天体运动的所有共振动力学机制，分析了类地行星轨道进动基本频率的长期漂移对地球特洛伊天体的影响，彻底解决了当前太阳系构型下地球特洛伊天体的轨道稳定性问题，考虑了雅科夫斯基效应并结合既有观测结果，我们否定了原初地球特洛伊天体存在的可能性，这一结果对未来开展地球特洛伊搜寻和深空探测具有重要指导性意义。在主天体有扁率的限制性三体模型中，我们否定了主天体轨道平面之外存在平动点的可能性，纠正了这一广为流传的谬误。我们研究了限制性三体模型中弱稳定集的分形特征、给出了分形维数与对应的轨道构型之间的关联。此外，我们还对卫星大气经由共轨轨道的逃逸过程、雅科夫斯基效应对小天体运动的影响、行星系统中的3/1平运动共振等相关动力学问题开展了系统研究，取得了一系列的进展。