Содержание
Введение..........................................................................3
Глава I Основные наблюдательные закономерности в системе I ГПК..................10
§ 1. Параметры орбит почти параболических комет, основные закономерности ..10
§ 2. Распределение перигелиев ПИК.............................................14
§ 3. Распределение ПИК но перигелийному расстоянию, влияние условий
видимости на данное распределение..............................................26
§ 4. Кометы Крейца............................................................38
Глава II Захват межзвездных комет................................................41
§ 5. Возможные источники межзвездных комег....................................41
§ 6. Модель захвата в первом приближении и некоторые аналитические
результаты.....................................................................42
§ 7. Результаты численного моделирования......................................48
Глава III Сравнение теоретических результатов с наблюдениями, семейства почти
параболических комет.............................................................59
§ 8. Сравнение теоретических результатов с наблюдениями.......................59
§ 9. Формирование семейств....................................................62
§ 10. Характеристика кометных семейств.........................................69
Глава IV К проблеме поиска трансплутоновых планет................................75
§11. Анализ проблемы.......................................................... 75
§ 12. Исследование афелийных расстояний........................................78
§ 13. Исследование распределения афелийных (перигелийных) направлений и
наклона кометных орбит.........................................................81
§ 14. Критерий генетической связи комет с планетами............................84
Заключение.......................................................................89
Литература.......................................................................92
Приложения
2
Введение
Подавляющее большинство комет движется вокруг Солнца по вытянутым эллиптическим орбитам. При этом в элементах кометных орбит существует двумодалъность. Кометы, наблюдаемые в течение нескольких оборотов вокруг Солнца (периодические кометы) и кометы, которые могут наблюдаться только один раз (непериодические), имеют резко отличающиеся физические и динамические характеристики. Кометы принято классифицировать по период}' обращения: к короткопериодическим относят кометы с периодом обращения Р<200 лет, кометы с Р > 200 лет называют почти параболическими. Орбиты короткопериодических комет отличаются малыми наклонами к эклиптике, концентрацией афелийных расстояний к большим полуосям планет-гигантов. В настоящее время большинство исследователей делит короткопериодические комет на две группы: 1) кометы семейства Юпитера (константы Тиссерана Т> 2, период обращения Р< 20 лет) и 2) кометы типа кометы Галлея (Г <2, Р>20) (Quinn, Tremaine, Duncan, 1990; Levison, Duncan, 1997; Wcissman, 1999). Эксцентриситеты орбит почти параболических комет мало отличаются от единицы, а наклоны распределены случайным образом.
Объектом настоящего исследования являются почти параболические кометы (П1IK - период обращения Р > 200 лез). Предмет исследования -динамические закономерности кометной системы. Научный интерес к почти параболическим кометам и актуальность их исследования обусловлены возможностью изучения эволюции Солнечной системы в целом, а также ее ближайшего окружения. В кометной космогонии созданы десятки гипотез о происхождении комет. Исслсдовачись различные источники и механизмы «рождения» этих матых тел Солнечной системы: кометы имеют межзвездное происхождение - Laplace (1796); кометы - осколки планет считает Lagrange (1812); кометы образуются в результате взрывов па звездах - Proctor (1881); кометы имеют солнечное происхождение - Мультон (1908), Donald (1963); согласно Константинову (1966), кометы имеют антивещественную природу; кометы являются реликтовыми остатками протопланетного облака - Шмидт (1945), Oort (1950, 1951); кометы рождаются в метеорных потоках - Альвен
3
(1979); согласно Давыдову (1981), кометы возникают при приливном разрушении астероидов; кометы порождаются далекими гипотетическими планетами - Радзиевский (1987) и т.д. В настоящее время наиболее распространенной среди астрономов является гипотеза реликтового происхождения комет. Гипотеза была предложена голландским астрономом Я. Оортом (1950, 1951) согласно которому на периферии Солнечной системы на расстояниях 100-150 тыс. а.е. находится резервуар кометных ядер в виде почти сферического облака содержащего порядка 1012 кометоподобных тел. Общепринято, что облако Оорта было сформировано в результате выброса ледяных планетезималей из региона планет-гигантов под действием гравитационных возмущений со стороны планет-гигантов и взаимных столкновений между иланегезималями (Duncan et al., 1987; Whippl, 1998; Weissman, 1999; Stern, Weissman, 2001). Источником короткопериодических комет семейства Юпитера считается пояс Койлера (Levison, Duncan, 1993, 1997), расположенный по Trujillo и Brown (2001) на расстоянии 47-76 а.с. Источником короткопериодических комет типа кометы Галлея - почти параболические кометы из облака Оорта (Dones et al., 2000; Levison et al., 2001).
Кометы являются своеобразными индикаторами космического пространства. По характеру изменения элементов кометных орбит можно судить об источнике, вызвавшем эти изменения. Па движение короткопериодических комет сильное возмущающее воздействие оказывают планеты Солнечной системы, а также негравитационные эффекты, вызванные, например, истечением струй газа из ядер. Сказанное относится и к почти параболическим кометам во время их движения во внутренних областях Солнечной системы (около перигелия). Кроме того, на движение почти параболических комет оказывает влияние приливные силы со стороны галактического ядра, близкие прохождения звезд (Torbett, 1986 б; Duncan et al., 1987; Byl, 1990; Yabushita, Tsujii, 1991). Проведено численное интегрирование уравнений движения комет с первоначально большими периодами обращения (кометы из облака Оорта) и построены аналитические модели, учитывающие вес или почти все перечисленные выше возмущающие факторы (Yabushita, Tsujii, 1989, 1991;
4
Wiegcrt, Tremain, 1999). Однако сравнение теоретических результатов с наблюдаемыми распределениями элементов кометных орбит приводит к определенным трудностям. Так, по заключению Wiegert’a и Tremain’a (1999), наблюдаемое распределение орбит долгопериодических комет не соответствует ожидаемому стационарному распределению. Соответствие возможно при наличии физического процесса, уменьшающего совокупность рассматриваемых комет. По мнению Matese et al. (1997), исследовавших распределение перигелиев комет облака Оорта, около 20% новых комет нуждаются в дополнительном динамическом механизме. На необходимость переоценки динамики облака Орта указывалось также Torbett’oM (1986 б). Изотропный характер распределения кометных ядер в облаке Оорта не позволяет воспроизвести наблюдаемое распределение элементов орбит короткопериодических комет типа кометы Галлея (Dones et al., 2000; Levison et al., 2001). Чтобы обойти эти трудности предполагается, что либо 1) облако имеет сложную внутреннюю структуру (Dones et al., 2000; Levison et al., 2001) и состоит из массивного дискообразного внутреннего облака и изотропного внешнего, причем число кометных ядер, форма и размер облака является вопросом дискуссионным, либо 2) во внешних областях Солнечной системы существует массивное тело, возмущающее элементы орбит комет (Matese et al., 1997; Murray, 1999).
Гипотеза реликтового происхождения комет хорошо вписывается в рамки современных представлений о происхождении и эволюции Солнечной системы. Однако при попытках объяснить наблюдаемое распределение элементов орбит на основе представлений о существовании облака Оорта возникают определенные трудности. Несколько эмоционально, но, тем не менее, не лишенную оснований оценку гипотезы реликтового происхождения комет дал
Э. М. Дробышевский (2001): «Эта гипотеза постоянно входит в противоречие с фактами и оказывается бессильной не только в предсказании новых, но даже в объяснении известных явлений без привлечения дополнительных гипотез. Для нее все новые открытия являются “неожиданными” и “непонятными”».
В свете выше сказанного актуальность темы исследования определяется также возможностью предсказать новые закономерности ансамбля ППК,
5
которые в рамках гипотезы облака Оорта получить затруднительно. Определение новых закономерностей в системе ПИК становится особенно важным при рассмотрении проблемы кометно-асгероидной опасности. Почти параболические кометы имеют существенный вес в общей доле кометно-асгероидной угрозы. В отличие от периодических комет и астероидов, предсказать появление НИК практически невозможно. Поэтому поиск преимущественных направлений прихода ППК, определение времени, когда представляющие потенциальную угрозу ППК открываются чаще всего, - все это чрезвычайно актуальные проблемы кометной астрономии.
В настоящее время ежегодно открывается около десяти и более ППК, причем число открываемых ежегодно комет растет. К концу XX века наблюдалось более 800 ППК, накоплен богатый наблюдательный материал, требующий статистической обработки. Поскольку, в связи с использованием новых программ наблюдений, вводом в строй новых телескопов, открываются все более слабые и удаленные объекты, общий характер распределений элементов орбит наблюдаемых комет изменяется не только количественно, но и качественно. Поэтому своевременная обработка нового материала - одна из актуальных задач кометной астрономии. Однако даже наиболее современные работы в этом направлении используют каталог элементов орбит 1993 г. (\Viegert, 'Ггеташ, 1999), в котором содержится всего 681 ППК.
Целью настоящей работы является исследование наблюдаемых закономерностей в системе почти параболических комет, а также выявление новых на основе гипотезы межзвездного происхождения комет. При этом решались следующие основные задачи:
1. Исследовать распределения элементов орбит 1111К.
2. Оценить влияние условий видимости на распределение элементов орбит ППК.
3. Определить условия захвата и зависимость элементов орбит комет на выходе из сферы влияния планет Солнечной системы от начальных условий в рамках модели линейно-параллельного потока комет из апекса пекулярного движения Солнца.
6
4. Сравнить теоретически результаты с реальными данными по элементам орбит III1К.
5. Выделить семейства комет, возможно динамически связанных с той или иной планетой.
6. Оценить вероятность существования и возможные параметры гипотетического трансплугонового массивного тела, влияющего на движение кометных ядер.
Научная новизна ожидаемых результатов обусловлена использованием новейшего каталога кометных орбит, в котором содержатся сведения о 835 ППК. Впервые показано, что максимум перигелиев ППК на малых гелиоцентрических расстояниях не может быть объяснен только условиями видимости. Показан характер зависимости элементов орбит и числа захваченных комет от долготы места захвата и скорости кометных ядер в бесконечности. Кометы дифференцированы на кометные семейства с использованием критерия минимального расстояния между орбитой кометы и соответствующей планеты, а также с учетом сферы влияния планет. Показано, что кометы, дифференцированные таким образом, имеют существенно отличающиеся динамические характеристики. За пределами планетной системы обнаружены области повышенной и пониженной концентрации кометных орбит.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она содержит 98 страниц текста, 11 таблиц и 48 рисунков. Список литературы содержит 115 названий. В первой главе дана подробная характеристика основных наблюдательных закономерностей в системе ППК. В частности, проанализировано число открываемых комет за последние десятилетия, рассмотрено распределение афелиев и перигелиев ППК, сделана оценка влияния условий видимости на распределение перигелиев ППК. Отдельно исследованы кометы группы Крейца. Во второй главе дано описание теоретического алгоритма по нахождению элементов орбит комет после выхода из сферы влияния планеты. В исследовании используется модель линейно-параллельного потока кометных ядер, идущих из апекса пекулярного движения Солнца. Задача решалась известным методом склеивания сфер влияния: до входа в сферу
7
влияния планеты комета двигается по нсвозмущенной гелиоцентрической орбите, в сфере влияния рассматривается невозмущенное планетоцентрическое движение и далее снова происходит переход к невозмущенному гелиоцентрическому движению. На основе этого алгоритма создана компьютерная программа, моделирующая движение ППК, результаты работы которой представлены. Проанализировано влияние на вероятность захвата скорости комет в бесконечности, параметров планеты и долготы планеты в момент захвата. В третьей главе проведено сравнение теоретических результатов, полученных в предыдущей главе с реальными распределениями элементов орбит ППК. Все ППК (кроме комет группы Крейца) дифференцированы на планетные семейства. Проведен детальный анализ элементов орбит комет семейств Юпитера и Земли. В четвертой главе исследованы распределения ППК по гелиоцентрическому расстоянию афелиев, распределение афелийных (перигелийных) направлений с целью определения параметров гипотетического трансплутонового тела (тел), влияющего на движение кометных ядер. Определены области повышенной и пониженной концентрации кометных орбит относительно плоскостей эклиптики, Галактики и плоскости, перпендикулярной эклиптике и проходящей через точки солнцестояний.
На защиту- выносятся следующие положения:
1. Распределение элементов орбит 835 ППК и их сравнение с результатами моделирования потока комет из апекса пекулярного движения Солнца.
2. Уточненная методика учета влияния условий видимости на распределение перигелиев ППК, включающая в себя расчет теоретического распределения комет с учетом различных гипотез о вероятност и их открытия.
3. Условия захвата и зависимость элементов орбит комет на выходе из сферы влияния планет Солнечной системы от начальных условий в рамках модели линейно-параллельного потока комет из апекса пекулярного движения Солнца.
4. Результаты анализа планетных семейств ППК, выделенных на основе критерия минимального расстояния между орбитами планет и кометы.
8
5. Оценка вероятности существования на расстояниях до 200 а.е массивного трансплутонового тела, возмущающею элементы комстных орбит.
9
Глава I
Основные наблюдательные закономерности в системе ППК
§ 1. Параметры орбит почти параболических комет, основные закономерности
Исследование каталожных данных но элементам кометних орбит является
непременным условием проверки любой гипотезы о происхождении комет. В настоящее время высокой точностью и исключительной надежностью вычисления элементов орбит комет отличается каталог IAU, издаваемый директором Центра Малых Планет (MPC) и Центрального Бюро Астрономических Телеграмм (СВАТ) Б. Марсденом. В этой работе используется каталог элементов кометних орбит, предоставленный авторам Б. Марсденом в электронном варианте. Этот каталог содержит сведения о 1715 кометных появлениях, начиная с 239 г. до н.э. и заканчивая июлем 1999 г. Из этих комет 140 - короткопериодические (период обращения Р < 200 лет), наблюдавшиеся в нескольких появлениях, еще 91 комета и их осколки с Р < 200 наблюдалась только в одном появлении и 835 комет имеют период обращения Р > 200 лет. Последние в дальнейшем мы будем именовать как почти параболические кометы (ППК). Па базе каталога Марсдена созданы несколько каталогов, используемых в настоящей работе: Каталог долгопериодических комет со сходными элементами орбит (Калиничева, Томанов, 1998 а), Планетные семейства долгопериодических комет (Калиничева, Томанов, 1998 б), Каталог периодических комет (Томанов, Соловьев, Калиничева, 1999), Каталог почти параболических комет, параметры, определяющие вероятность открытия комег (Калиничева, Муравьев, Томанов, 1999).
Имеется широко распространенное мнение относительно основных наблюдательных эффектов в системе 1І1ІК (Clube, Napier, 1984):
□ Афелии имеют резкий максимум на расстоянии 40000-60000 а.с.
□ В первом приближении распределение перигелиев изотропно.
□ Поток комет во внутреннюю Солнечную систему оценивается ~
1-3 год''(по разным источникам).
10
- Київ+380960830922