外太阳系高倾角小天体的动力学演化

In the outer Solar system, a considerable number of Kuiper belt objects (KBOs) and of the linked Centaurs/ Damocloids move in highly inclined (even retrograde) orbits. This population puts forward great challenge for the current theory of planet system formation and evolution. This project systematically studies the dynamical evolution of these high-inclination minor bodies, including: (1) after the introduction of the inclination, the particular features of mean-motion\secular\Kozai resonances for KBOs; (2) analyses of the dynamical stability of high-inclination KBOs, and to build up the stability map in orbital element space (especially for the inclination); (3) by the two mechanisms of planet migration (resonant capture, scattering) and chaotic diffusion, respectively, the orbital transfer of high-inclination objects in various dynamical subclasses; (4) the origin of Centaurs and Damocloids, and their relationship with KBOs, Jupiter-Family and Halley-Family Comets, etc. Through the execution of this project, we aim to provide panoramic views of the effects of high inclinations on minor bodies' orbital behavior, and to supply a breakthrough in the complete mystery of the origin of (highly) inclined orbits in the outer Solar system, and to further reveal the evolution history of Jovian planets and the spatial distribution of primordial planetesimal disk.

在外太阳系中，相当数量的 Kuiper 带小天体及之相关的半人马型和达摩克型小行星都运行在高倾角（甚至逆行）轨道上，它们对行星系统的形成和演化理论提出了极大的挑战。本项目系统地研究这些高倾角小天体的动力学演化，内容包括：(1) 在引入倾角后，Kuiper 带小天体新的(平运动、长期、Kozai)共振特征；(2) 分析高倾角 Kuiper 带小天体的动力学稳定性，在轨道根数空间中（特别是倾角）构建稳定性地图；(3) 在行星迁移（共振俘获、散射）和混沌扩散两种机制中，各种动力学类型的高倾角小天体的轨道转移过程；(4) 半人马型和达摩克型小行星的形成，及其与 Kuiper 带小天体、木星族彗星、哈雷族彗星等的联系。通过本项目的研究，对高倾角在小天体轨道行为中的作用给出一个全景式的研究结果，为解决高倾角的起源这一外太阳系动力学中的重大难题提供突破口，进而揭示类木行星的演化历史和原星子盘的空间分布。

本项目研究了太阳系动力学中的一个前沿课题，即在引入（高）倾角后，小天体新的动力学性质，包括：平运动共振和长期共振、轨道稳定性、引力摄动、角动量分布等，继而探讨了高倾角小天体可能的分布和未来的观测策略。此外，还研究了相关的天体力学基础理论。通过四年的研究工作，完成论文5篇，其中3篇已正式发表（2篇A&A，1篇RAA），另外1篇A&A文章已审稿、正在修改中，还有1篇已经投稿至MNRAS。同时还积极开展了国内、国际学术交流。.本项目取得的主要研究结果有：（1）我们和美国西北大学的夏志宏教授合作，建立了一个超过70万颗小行星在内的数据库（包含轨道和多种物理参数），分析了（各类）小天体的角动量分布，特别是那些处于高倾角轨道上的，指出了其对行星系统形成和演化过程的限制；此外，大大的提高了太阳系不变平面空间指向的精度。（2）在工作（1）的基础上，建立了木星特洛伊小天体的“弧模型”，估计了它们的总质量、以及对行星和（自然、人造）卫星的引力摄动，这对我国未来的深空探测任务有着潜在的应用价值。（3）当前观测到的第一颗地球特洛伊小天体（2010 TK7）也处于高倾角轨道上，通过分析各种长期共振、以及Yorkovsky效应对这类小天体的轨道稳定性的影响，对它们可能的形成区域、轨道构型、大小等都作出了限制。（4）利用一种适用于高倾角的半分析方法，研究了处于经典Kuiper带中心位置的4:7共振小天体，在偏心率-倾角空间给出了一条理论极限曲线，这解释了4:7共振小天体当前的奇特轨道分布，并为将来观测各类高阶共振小天体提供了理论预测。依此结果，我们与“外太阳系起源计划”研究组合作，申请利用Subaru望远镜观测Kuiper带小天体。（5）在非线性天体力学基础理论方面，我们研究了“太阳-火星”系统在木星摄动下的弱稳定性，给出了平面双圆型限制性四体问题在极坐标中的运动方程，揭示了火星附近的弱稳定区域的尺度和结构，其可以被用来设计火星探测器的低能量转移轨道。此外，这也可能是（高倾角）小天体的一种混沌转移机制。