Н С Коваленко - Динамічна та фізична еволюція комети 95р хірон 2060 та обраних кентаврів - страница 1

Страницы:
1  2  3  4 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Коваленко Наталія Сергіївна

УДК 523.61

ДИНАМІЧНА ТА ФІЗИЧНА ЕВОЛЮЦІЯ КОМЕТИ 95Р/ ХІРОН (2060)

ТА ОБРАНИХ КЕНТАВРІВ

Спеціальність 01.03.01 - Астрометрія і небесна механіка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Астрономічній обсерваторії Київського національного університету та в науково-просвітницькому центрі «Київський планетарій» Товариства «Знання» України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Чурюмов Клим Іванович Астрономічна обсерваторія Київського національного університету

доктор фізико-математичних наук, професор Кручиненко Віталій Григорович

Бердянський Педагогічний Університет

кандидат фізико-математичних наук Іванцов Анатолій Валентинович

Науково-дослідний інститут «Миколаївська астрономічна обсерваторія»

Захист відбудеться 8 квітня 2011 року о 15-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.062.13 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058 м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус №3, ауд.506.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058 м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус №8.

Автореферат розісланий 9 березня 2011 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.062.13

доцент, кандидат фізико-математичних наук А.Є. Гай

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена дослідженню орбітальної еволюції комети 95Р/Хірон та інших об'єктів групи Кентаврів методами чисельного інтегрування систем диференційних рівнянь руху. Для Хірона побудовано криву блиску (за даними спостережень, наведених у Міжнародному Кометному Щоквартальнику), а також розглянуто фізичні особливості цього першого з відомих Кентаврів з кометною активністю.

Актуальність теми.

Комети та астероїди є реліктовими залишками космогонічного процесу, що мав наслідком утворення Сонця, планет та інших тіл Сонячної системи. Вони зберігають первісну речовину протосонячної туманності. Тому вивчення динамічних та фізичних властивостей малих тіл та їх взаємозв'язку є актуальною проблемою фізики, походження, еволюції та сучасної будови Сонячної системи.

Відкриття віддалених малих тіл Сонячної системи, які були зроблено в останні роки, суттєво змінили наші уявлення про будову, динаміку та формування Сонячної системи. Зокрема, було виявлено занептунові тіла Поясу Койпера та об' єкти групи Кентаврів. Вважається, що між занептуновими об'єктами та короткоперіодичними кометами групи Юпітера існує еволюційний зв'язок, представлений популяцією Кентаврів [7, 11, 12, 14].

Об' єкти групи Кентаврів знаходяться між орбітами Юпітера та Нептуна. На сьогодні відомо понад 80 таких малих тіл. Перший представник популяції Кентаврів, астероїд 2060 Хірон, було відкрито у 1977 році (Ч. Ковал). У перигелії Хірон віддаляється від Сонця на 18,8 а.о., а в перигелії наближається до Сонця на 8,5 а.о.

У 1988 році Толеном було зафіксовано кометну активність Хірона [22]. На сьогодні вже 16 Кентаврів мають назви за кометною номенклатурою, в трьох з них було зафіксовано кому.

Походження Хірона та решти Кентаврів є одним з числа інтригуючих питань фізики Сонячної системи, і воно ще остаточно не вирішене [11, 14, 23]. Щоб визначити походження Кентаврів, їхній динамічний стан сьогодні та можливі зміни у майбутньому, їхню фізичну еволюцію, в роботі було промодельовано динамічну еволюцію Хірона та решти Кентаврів методами чисельного інтегрування. У зв' язку із відкритою кометною активністю Хірона є цікавим виявлення модельних орбіт Кентаврів із малими перигелійними відстанями. Такі орбіти можуть призвести до "пробудження" кометної природи і в деяких інших Кентаврах. Моделювання орбітальної еволюції Хірона та Кентаврів на великі проміжки часу може дати ключ до кращого розуміння фізичної еволюції цього найбільш цікавого представника групи Кентаврів і всієї популяції в цілому.

Сублімацією водяної криги як провідного механізму кометної активності може бути пояснена активність на геліоцентричних відстанях до 5 а.о., в той час як деякі комети (включаючи і 95Р/Хірон) проявляють кометну активність набільших відстанях від Сонця. На таких відстаннях активність комет керується сублімацією криги чадного газу СО та інших більш летких замерзлих газів в ядрах комет [24]. Дані про розміри та масу Хірона, його пилову кому, спектральні ознаки [1, 3-6, 9, 20, 24], та результати фотометричних спостережень, отримані різними спостерігачами та наведені в Міжнародному Кометному Щоквартальнику, дозволяють побудувати криву блиску, визначити фотометричні параметри, запропонувати механізми кометної активності Хірона, що проявляється на великих геліоцентричних віддалях.

Зв 'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в лабораторії фізики комет відділу малих тіл Сонячної системи на Астрономічній обсерваторії Київського Національного університету імені Тараса Шевченка по плановій тематиці науково-дослідних робіт за темами № 97002 "Астероїдно-кометна небезпека та взаємодія космічних тіл з атмосферами планет та сонячною радіацією" (січень 1997 - грудень 2000, номер держреєстрації 0197U003012) та № 01БФ023-03 " Астероїдно-кометна небезпека, фізика комет, взаємодія космічних тіл з атмосферами планет та доплив космічної речовини на Землю" (січень 2000 -грудень 2005, номер держреєстрації 0101U002167) в межах комплексної наукової програми Київського Національного університету імені Тараса Шевченка "Астрономія та фізика космосу".

Мета і завдання дослідження. Метою даного дослідження є вивчення фізичної та динамічної еволюції об'єкта 2060 (95Р/) Хірон як представника групи Кентаврів для з'ясування минулого і майбутньої долі цієї групи об'єктів, а також перевірка деяких космогонічних гіпотез та теорій щодо походження комет, які передбачають, що Кентаври є перехідною популяцією між об'єктами поясу Койпера та кометами родини Юпітера. З цією метою методами чисельного інтегрування було проведено моделювання динамічної еволюції Хірона та інших 33-х об'єктів групи Кентаврів, а також 2-х віддалених комет родини Юпітера (29Р/Швассмана-Вахмана 1 та 39Р/Отерма). Статистичними методами проведено аналіз розподілу елементів орбіт відомих на сьогодні Кентаврів. Було проведено обробку та аналіз фотометричних спостережних даних по Хірону, отриманих різними спостерігачами. Для Хірона було побудовано криву блиску, уточнено фотометричні параметри цієї комети. Для цього були поставлені такі задачі:

1. Промоделювати динамічну еволюцію Хірона та решти відомих на час дослідження Кентаврів (33 об'єкти) на тривалий проміжок часу у минуле та майбутнє (± 1 млн. років) засобами чисельного інтегрування за допомогою програми на основі методу Еверхарта (розроблена науковим співробітником Астрономічної обсерваторії Київського національного університету Бабенко Ю. Г.).

2. На проміжок часу ± 1 млн. років промоделювати орбітальну еволюцію 2-х комет з родини Юпітера - 29Р/Швассмана-Вахмана 1 та 39Р/Отерма.

3. Проаналізувати результати підрахунків та виявити загальні тенденції у поведінці орбіт Хірона, Кентаврів, та короткоперіодичних комет родини Юпітера.

4. Провести статистичний аналіз елементів орбіт відомих на сьогодні Кентаврів і визначити можливий еволюційний перехід Кентаврів в короткоперіодичні комети родини Юпітера і навпаки.

5. Зібрати фотометричні спостереження Хірона, отримані різними спостерігачами, для побудови кривої блиску та уточнення фотометричних параметрів.

Об'єкти дослідження: Кентавр з кометною активністю 95Р/Хірон, 33 об'єкти групи Кентаврів, та 2 комети родини Юпітера - 29Р/Швассмана-Вахмана 1 та 39 Р/Отерма.

Предмет дослідження: орбітальна еволюція Хірона, 33-х Кентаврів та 2-х комет родини Юпітера (29Р/Швассмана-Вахмана 1 та 39Р/Отерма). Методи дослідження:

Проведення чисельного інтегрування систем диференційних рівнянь руху небесних об' єктів (із використанням методу Еверхарта, розробник програми Бабенко Ю.Г.). Виконання статистичної обробки та аналізу результатів чисельного моделювання орбіт. Статистичний аналіз та побудова розподілу елементів орбіт відомих на сьогодні Кентаврів. Збір та корегування за апертуру фотометричних даних по Хірону, отриманих різними спостерігачами та наведених у Міжнародному Кометному Щоквартальнику. Побудова кривої блиску Хірона (із використанням програми Comet для Windows, розробник Сеічі Йосіда, Японія). Узагальнення й аналіз отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів.

• Отримано еволюційні треки елементів орбіт 33-х Кентаврів та 3-х комет (95Р/Хірон, 29Р/Швассмана-Вахмана 1 та 39Р/Отерма) на 1 мільйон років у минуле та майбутнє;

• Проведено статистичний аналіз результатів чисельного інтегрування та виявлено тренди у змінах орбіт Кентаврів у минулому та в майбутньому;

• Визначено долю відомих Кентаврів, що потенційно можуть проявити себе як комети, за значеннями розподілів перигелійних відстаней промодельованих орбіт;

• Отримано розподіли елементів орбіт 82-х відомих на сьогодні Кентаврів, вперше проведено статистичний аналіз еволюції розподілів орбітальних елементів з часом;

• Побудовано криву блиску Хірона за 60-тьма оцінками блиску, отриманими 17-тьма спостерігачами, за період з 6 лютого 1992 по 14 липня 2001 року, визначено фотометричні параметри кривої блиску Хірона.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані  результати  дисертаційної  роботи  розширюють  знання про походження Кентаврів та періодичних комет родини Юпітера, про їх взаємнийзв' язок, про природу цих об'єктів та про еволюцію Сонячної системи. Результати дослідження треба враховувати в космогонічних сценаріях походження Сонячної системи. Сформульовано гіпотезу про механізм переходу об'єктів Поясу Койпера до тіл групи Кентаврів і, пізніше, у внутрішні частини Сонячної системи, до короткоперіодичних комет родини Юпітера. Розглянуто механізми поповнення популяції Кентаврів і підтримання її чисельності. Досліджено особливості кометної активності на великих геліоцентричних віддалях. Результати можуть бути використані для подальших досліджень в області походження комет та еволюції Сонячної системи. Дані моделювання орбіт можуть бути використані у подальших дослідженнях, з більшою кількістю Кентаврів у популяції.

Особистий внесок здобувача. Автором опубліковано 4 фахові статті у співавторстві з Бабенко Ю.Г. та Чурюмовим К.І. і сім тез доповідей на міжнародних астрономічних конференціях. В роботах автором було самостійно проведено підрахунки та статистичний аналіз результатів, автор приймала участь у постановці задач та обговоренні результатів і висновків.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати, подані у дисертаційній роботі, доповідалися на наукових семінарах відділу "Малих тіл Сонячної системи" Астрономічної обсерваторії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, а також були представлені у вигляді доповідей на двадцяти наукових конференціях і школах в Україні й за кордоном:

1. Міжнародній конференції пам'яті Астаповича "АІСТ-98", Київ, 1998;

2. Міжнародна конференція КАММАК-99, Вінниця, 1999;

3. 7-ій відкритій конференції молодих вчених з астрономії та фізики космосу, Київ, 2000;

4. Четвертих міжнародних Всехсвятських читаннях, Київ, 2000;

5. 52-му Міжнародному астронавтичному конгрессі, Тулуза, Франція

(2001 р.);

6. IAU Colloquium No. 186: Cometary Science after Hale-Bopp, Тенеріфе, Іспанія, 2002;

7. Міжнародній   конференції   "Asteroids,   Comets,   Meteors", Берлін, Німеччина, 2002;

8. Всесвітньому космічному конгресі, Хьюстон, США, 2002;

9. Міжнародній конференції КАММАК-2002, Вінниця, 2002;

10. Міжнародній конференції "First Decadal Review of the Edgeworth-Kuiper-Belt - Towards New Frontiers", Чилі, 2003;

11. Міжнародній конференції JENAM-03, Будапешт, Угорщина, 2003;

12. Міжнародній конференції 54 Congress of International Astronautical Federation, Бремен, Німеччина, 2003;

13. JENAM-04, Гранада, Іспанія, 2004;

14. КОСПАР-2004, Париж, Франція, 2004;

15. Астрономічній школі молодих вчених, Біла Церква, 2004;

16. Школа NEON-2004, Гархінг, Німеччина, 2004;

17. JENAM-05, Льєж, Бельгія, 2005;

18. АСМ-2005, Бузіос, Бразилія, 2005;

19. IAU XXVI General Assembly, Прага, Чехія, 2006;

20. IAU XXVII General Assembly, Ріо де Жанейро, Бразилія, 2009,

а також доповідалися на науково-методичних семінарах і розширених засіданнях у науково-просвітницькому центрі «Київський планетарій» Товариства «Знання» України.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 4-х наукових статтях у фахових журналах, у провідних вітчизняних і закордонних виданнях, і в семи тезах доповідей на міжнародних астрономічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаних джерел й трьох додатків. Загальний обсяг дисертації становить 115 сторінок, включаючи 40 малюнків, 11 таблиць і список використаних джерел, що містить 110 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані її мета, завдання окремих етапів, представлена наукова новизна, наведені структура й зміст дисертації, указані друковані праці, у яких відбиті основні результати, та показана частка участі автора в спільних публікаціях. Зазначено наукову новизну отриманих результатів і наведені інші відомості про дисертаційну роботу відповідно до вимог ВАК України.

У першому розділі дисертації розглянуто сучасні уявлення про малі тіла у Сонячній системі, особливо про крижані тіла у її середній (між орбітами Юпітера та Нептуна) та зовнішній (за Нептуном) областях. Наведено відомості про три резервуари криги, такі як хмара Оорта, Пояс Койпера, та головний пояс астероїдів [13]. Ці три основних резервуари (хмара Оорта, Пояс Койпера, та головний пояс астероїдів) поставляють комети в три динамічних класи: довгоперіодичні комети (з хмари Оорта), короткоперіодичні (особливо комети родини Юпітера) комети (з Поясу Койпера), та комети головного поясу (із головного поясу астероїдів). Простим способом розділити комети на три різних типи є оцінка їхніх параметрів Тіссерана по відношенню до Юпітера. Цей параметр обраховується так:

a,

Г = -L + 2

j a

11 / 2

a І

(1 - e )— І    cos( i)

aj J

де aj та а є великими півосями орбіт Юпітера та об'єкта, а е та і представляють ексцентриситет і нахил орбіти об'єкта (в цій задачі Юпітер має ej=ij=0). Цей параметр, Tj, є константою руху в обмеженій задачі трьох тіл. На практиці, він пов'язаний зі швидкістю тісних зближень відносно Юпітера. Юпітер має Tj =3, комети з хмари Оорта мають Tj <2, комети з Поясу Койпера мають 2£ Tj £ 3, і комети головного поясу мають Tj >3. Оскільки обмежена задача 3-х тіл є лише наближенням, то в дійсності об' єкти зазнають збурень орбіт з боку багатьох планет, тому параметр Тіссерана не є абсолютним критерієм. Але більшістькомет можуть бути достатньо точно прив'язані до їхніх першоджерел за цим єдиним числом, Tj.

Розглянуто актуальні питання, пов'язані із трьома резервуарами льоду у Сонячній системі (хмара Оорта, Пояс Койпера та головний пояс астероїдів). В контексті сучасних уявлень про малі тіла у Сонячній системі подано інформацію про Кентаврів, історію відкриття, класифікацію, їхні орбітальні та фізичні характеристики, найбільш цікаві об'єкти цього класу малих тіл.

Кентаври - це клас малих тіл з нестійкими орбітами, котрі обертаються між орбітами Юпітера та Нептуна. Ці об'єкти поводяться й як астероїди, й як комети. Кентаври займають перехідні орбіти, котрі перетинають або перетинали орбіти планет-гігантів, і мають динамічний час життя порядка декількох мільонів років [11, 15].

У другому розділі наводиться статистичний аналіз розподілу елементів орбіт 82-х відомих на сьогодні Кентаврів, а також наведено перелік Кентаврів із кометними позначеннями:

Таблиця 1

Орбітальні елементи Кентаврів із кометними позначеннями

 

q

е

i

P

T

29P/Schwassmann-Wachmann 1

5,724

0,044

9,4

14,7

2,984

39P/Oterma

5,471

0,245

1,9

19,5

3,005

95P/Chiron

8,454

0,383

6,9

50,7

3,356

165P/LINEAR

6,830

0,621

15,9

76,4

3,095

166P/NEAT

8,564

0,384

15,4

51,9

3,285

167P/CINEOS

11,788

0,269

19,1

64,8

3,527

174P/Echeclus

5,826

0,457

4,3

35,1

3,032

C/2001 M10 NEAT

5,303

0,801

28,1

138

2,586

C/2004 A1 LONEOS

5,463

0,308

10,6

22,2

2,963

P/2005 S2 Skiff

6,398

0,197

3,1

22,5

3,076

P/2005 T3 Read

6,202

0,174

6,3

20,6

3,045

C/2007 S2 Lemmon

5,549

0,555

16,9

44,1

2,882

P/2008 CL94 Lemmon

5,436

0,121

8,3

15,4

2,983

P/2010 C1 Scotti

5,235

0,259

9,1

18,8

2,959

P/2010 H5 Scotti

6,026

0,157

14,1

19,1

2,973

P/2011 C2 Gibbs

5,378

0,271

10,9

20,0

2,956

Примітка: q - перигелійна відстань в а.о., e - ексцентриситет, i - нахил, P - орбітальний період в роках, Tj - параметр Тіссерана.

Орбітальні елементи для статистичного аналізу орбіт 82-х відомих Кентаврів взяті на сайті Центру малих планет Центрального бюро астрономічних телеграм (MPC CBAT, http://www.cfa.harvard.edu/iau/lists/Centaurs.html). Статистичний аналіз проведено засобами Excel.

Аналіз орбітальних елементів показує, що більшість Кентаврів мають перигелії в межах від 5 до 20 а.о., причому на область 5-10 а.о. припадає 33% відомих об'єктів, на область 10-15 а.о. - 32%, і на область 15-20 а.о. - 26% Кентаврів.

В той же час афелії орбіт Кентаврів розміщені переважно в області 15-35 а.о., і розподілені так: 15-20 а.о. - 17%, 20-25 а.о. - 18%, 25-30 а.о. - 20%, 30-35 а.о. - 16%. Нахили орбіт Кентаврів зосереджені в областях значень від 2,6 (мінімальне значення) до 25 градусів, максимальні нахили орбіт досягають 43,5 градусів. Орбіти Кентаврів достатньо витягнуті і мають ексцентриситети від 0,01 до 0,68, найчастіше - від 0,1 до 0,4, з максимальною кількістю орбіт з ексцентриситетами від 0,3 до 0,4.

Великі півосі більшості орбіт перебувають у межах 15-25 а.о., причому в області 20-25 а.о. знаходяться півосі 31% Кентаврів, і в області 15-20 а.о. - 27% Кентаврів. В той же час значні долі Кентаврів мають півосі 25-30 а.о. (16%), 10­15 а.о. (12%), і 5-10 а.о. (9%).

У третьому розділі розглядаються фізичні та математичні аспекти моделювання динамічної еволюції Хірона та 33-х Кентаврів [1, 2, 3, 4], наводяться результати підрахунків та статистичний аналіз результатів у вигляді гістограм. Приведено міркування відносно доцільності чисельного інтегрування динамічної еволюції Хірона. Показано, що такі підрахунки мають проводитись для якомога більшої кількості Кентаврів, оскільки внаслідок частих тісних зближень із планетами-гігантами моделювання змін орбітальних характеристик має переважно статистичне значення. Обгрунтовується застосування обраних алгоритмів чисельного інтегрування.

Розглянуто рівняння руху та особливості і базові рівняння методу Еверхарта [8, 25].

Рівняння орбіт у небесній механіці мають вигляд

X = F (x, y, z, Xi, Уі , zi, Xj, y}, Zjt),

де функція F (сила) залежить від часу t та положення x,y,z тіла, чий шлях треба проінтегрувати, а також від положень інших тіл, позначених індексами

Для кожного тіла буде 3 таких рівняння. Тому достатньо вирішити рівняння вигляду

X = F (x, t)

оскільки розширення на довільну кількість одночасних рівнянь вигляду

X = F (x, y, z, Хі , Уі , Zi, Xj, y}, Zjt),

Страницы:
1  2  3  4 


Похожие статьи

Н С Коваленко - Динамічна та фізична еволюція комети 95р хірон 2060 та обраних кентаврів