双小行星系统构型演化的动力学机制研究

Binary minor planets (BMPs) are remarked as the major targets of current space missions to explore the Solar System small bodies. The theories on their origins and future evolution have been one of the central topics in the filed of planetary science for over 20 years. The binary minor planets hence bear both important intellectual and social merits for future solar system studies and human’s space exploration. As the progressing of observation and computing technologies, the dynamics of BMPs configurations has become a new research hotspot, which is still a young and immature field and calls for more original contributions. This proposal suggests to study accurate representation of the BMPs mechanical environment as the breakthrough. We will first develop an analytical form of the gravity between arbitrary binary bodies, then build up an informative numeric model for specified binary system. As for the two core scientific problems in the configuration dynamics, i.e., the binary formation and stable configuration, we will study and reveal the compatibility between the formation mechanism and stable orbit & orientation, and further discuss the evolutional path from the early formation to the stable configuration of BMPs. Theoretical tools and numeric methodologies will both be employed in this research, and principle experiments will also be performed to obtain crucial parameters. This work is expected to contribute original creativities and findings to the relevant international scientific missions, and as well to serve China’s strategic demands in future deep space exploration. The research proposed here will certainly promote progresses of the planetary science and its popularization to the public.

小行星双星系统是当前国际小天体探测的主要目标之一，关于其形成和演化的学说是行星学科界近二十年来持续关注的热门话题，对于未来的太阳系研究和深空探测任务，具有深刻的科学价值和社会意义。随着观测手段的进步和计算条件的完善，太阳系双星系统构型演化的动力学正成为新的研究热点，有大量原创性工作可以进行。本项目拟从双星系统精确动力学模型的表征方法出发，建立任意双星体之间的引力场表征理论和包含空间摄动因素的精确力学模型；针对目前双星结构演化动力学涉及的两大核心科学问题（即双星的形成过程与构型稳定性），综合采用理论分析和数值计算方法，并结合原理实验的数据结果，研究揭示现有双星系统形成机制和稳定构型之间在原理上的相容性，阐释系统从形成到稳定构型的可能演化途径和演化边界。为相关国际大科学工程提供原创性的理论方法和原理发现，同时服务于我国未来深空探测的重大战略需求，促进我国行星科学的研究进展和面向公众的传播普及。

小行星双星系统是当前国际小天体探测的主要目标之一，关于其形成和演化的动力学机制是行星学科近二十年来持续关注的课题。本项目研究提出了全二体引力场的闭合理论模型和精确计算方法，基于最新观测数据和星历数据对特定双星系统附近的动力学环境进行精确重构，建立了包含太阳潮汐摄动、光压作用、行星引力摄动、空间热效应、全二体引力场的预报与分析模型。基于动力学模型方法研究，本项目开展了双星系统轨道-姿态耦合动力学分析，揭示了主星内部质量结构特征对双星构型的长期影响，说明了双星轨道姿态及其外形、结构之间的相容性。进一步采用离散元方法建立主星风化层的全尺度动力学模型，研究揭示了快速自旋双星表层的蠕变演化机制，解释了双星系统主星的陀螺形外形特征。本项目在双星系统构形演化研究基础上，进一步研究风化层碎片在双星系统中生成、演化的动力学机制，针对两类生成机制。分别研究了两类机制下碎片的空间分布对于生成参数的依赖性，通过上述预报与分析模型追踪了不同类型轨道碎片的复杂运动过程，给出了不同生成条件下碎片云在小行星系统中的生存周期和粒径构成，揭示了通过碎片吸积效应形成双星系统的可能演化途径，以及碎片云扩散过程中从星的增长边界。本项目将为未来双小行星探测任务提供理论和技术支撑，服务于我国未来深空探测的战略需求。