АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 2, с. 130-141
УДК 523.64
ПОТОК ДОЛГОПЕРИОДИЧЕСКИХ КОМЕТ В ПЛАНЕТНОЙ ОБЛАСТИ: ДИНАМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ИЗ ОБЛАКА ООРТА
© 2007 г. О. А. Мазеева
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск Поступила в редакцию 23.12.2005 г. После исправления 23.05.2006 г.
В исследовании рассмотрена эволюция 2 х 105 орбит с начальными параметрами, соответствующими орбитам комет облака Оорта, под действием планетных, галактических и звездных возмущений на интервале времени ~2 х 109 лет. Динамическая эволюция комет внешней (большие полуоси орбит а > 104 а e.) и внутренней части (5 х 103 < а e.] < 104) кометного облака рассмотрена отдельно. Представлены оценки потока "новых" и долгопериодических комет для всех перигелийных расстояний q в планетной области. Поток комет с а > 104 а e. в интервале 15 а. е. < q < 31 а. е. в несколько раз выше потока комет в области q < 15 а e. Отмечается увеличение концентрации перигелиев орбит комет из внешнего облака, неоднократно проходивших через планетную систему, в области Сатурна-Урана. Максимумы в распределении перигелиев орбит комет внутреннего облака Оорта расположены в области Урана-Нептуна. "Новые" кометы на орбитах с а < 2 х 104 a. e., приходящие на окраину планетной системы (§ > 25 a. e.), впоследствии совершают наибольшее число возвращений в область q < 35 a. e. Перигелии орбит этих комет постепенно перемещаются внутрь Солнечной системы и накапливаются за орбитой Сатурна. В распределении перигелиев долгопериодических комет за орбитой Сатурна отмечается пик. Обсуждается вопрос о пополнении внешнего облака Оорта кометами из внутренней части и их последующей динамической эволюции. Частота прохождений комет внутреннего облака, пополняющих внешнее облако, в области q < 1 а e. на орбитах с а > 104 а e. в год (~5.0 х 10-14 лет-1) на порядок ниже частоты прохождений комет из внешнего облака Оорта (~9.1 х 10-13 лет-1).
PACS: 96.30.Cw, 96.30.-t, 96.50.Fm, 98.35.Jk
ВВЕДЕНИЕ
Вблизи Земли наблюдается постоянный поток комет, находящихся на почти параболических изотропных орбитах (Marsden, Williams, 2005). По элементам их первоначальных орбит исследуются структура и размеры кометного облака Оорта, окружающего Солнечную систему (Oort, 1950). В распределении орбит наблюдаемых комет в зависимости от величины £ = 1/a (a - большая полуось орбит комет) отмечается узкий пик вблизи нуля (£ < < 10-4 (a. e.)-1). Кометы, образующие пик, являются динамически "новыми", т.е. совершают первое прохождение через планетную область. В окрестности Земли "новые" кометы с абсолютной величиной H10 < 7 и перигелийными расстояниями q < 1 а. е. проходят приблизительно с промежутком 5 лет (Bailey, Stagg, 1988). Оой доказал (1950), что кометы вбрасываются в планетную область под действием звезд, проходящих вблизи Солнечной системы. Более поздние исследования показали (Heisler, Tremaine, 1986), что галактические возмущения еще более важный фактор, влияющий на поток комет в планетной области.
Hills (1981) предположил существование плотного внутреннего облака комет (a < 104 а. е.), пополняющего внешнее облако (a > 104 a. e.). Кометы на орбитах с a < 104 a. e. динамически устойчивы к внешним возмущениям и приходят в
околоземное пространство лишь во время относительно кратких "кометных ливней", вызванных действием звезд, проходящих на расстоянии rG < 104 a. e. от Солнца (Heisler и др., 1987). Предположения о структуре внутреннего кометного облака основаны на моделировании эволюции комет за время жизни Солнечной системы (4.6 х х 109 лет). Внутреннее облако приблизительно в 5 раз массивнее внешнего кометного облака согласно результатам Duncan и др. (1987). Моделирование Dones и др. (2000) показало, что внешнее и внутреннее облака содержат приблизительно равное число комет. При определении потока комет из внутренней части облака Оорта возникают неопределенности, связанные со структурой внутреннего облака.
При прохождении через планетную область происходит изменение кометных орбит под гравитационным влиянием планет. Процесс накопления малых планетных возмущений в обратных значениях больших полуосей (1/a) орбит комет назван диффузией. Изменение величины £ зависит от пе-ригелийного расстояния q и в меньшей степени от наклонения i орбиты кометы: Д£ ~ 10-3 (a. e.)-1 при q < 6 a. e., Д£ ~ 10-4 (a. e.)-1 при q ~ 10 a. e., Д£ ~ ® 10-5 (a. e.)-1 при q ® 20 a. e. (Fernandez, 1981). Область q < 10 а. е. принято называть "конусом потерь". Комета, вброшенная в "конус потерь", под
действием планетных возмущений (Ае ~ е ~ ~ 10-4 (a. e.)-1) переходит за один оборот вокруг Солнца либо на гиперболическую орбиту, либо на орбиту с малым периодом обращения.
В данной работе проведено моделирование ко-метного облака Оорта и исследование его динамической эволюции под действием галактических, звездных и планетных возмущений на интервале времени 2 х 109 лет. Представлены оценки потока долгопериодических комет для всех перигелийных расстояний в планетной области. Рассмотрен поток комет из внешней (a > 104 a. e.) и внутренней (a < 104 a. e.) частей облака Оорта.
МОДЕЛЬ И МЕТОДЫ
В соответствии с Duncan и др. (1987) распределение больших полуосей кометных орбит в облаке Оорта соответствует fa) ~ a-a, где a = -1.5 ± 0.5 характеризует степень центральной конденсации комет в облаке Оорта. В некоторых работах (Bailey, 1983) коэффициент a определен в интервале (2; 4), так как в исследовании Duncan и др. (1987) не учтены возможные столкновения с молекулярными облаками, способствующие опустошению внешней части облака Оорта и, следовательно, группированию большинства комет внутри кометного облака. Большая концентрация комет во внутреннем облаке вероятна, если Солнечная система формировалась в более плотной галактической среде, чем существует в данное время (Fernandez, 1997). С увеличением степени центральной конденсации комет в облаке Оорта существенно увеличивается поток комет во внешнюю часть планетной области (Fernandez, 2002).
Рассмотрена орбитальная эволюция 105 комет внешнего облака Оорта (Nouter) и 105 комет внутреннего облака (Ninner) на интервале времени ~2 х х 109 лет. Учитывалось гравитационное действие Галактики и четырех внешних планет Солнечной системы (Emel'yanenko, 1999). Для оценки звездных возмущений использовалось импульсное приближение (Ogorodnikov, 1965). Параметры звезд, а также частота их прохождений в окрестности Солнечной системы моделировались в соответствии с Heisler и др. (1987).
Начальные значения больших полуосей кометных орбит внешнего облака Оорта распределены в интервале (1-5) х 104 а. е. по закону f(a) ~ a15. Рассматриваемая модель внутреннего облака Оорта включала орбиты комет с большими полуосями, распределенными в интервале (0.5-1) х 104 a. e. в соответствии с fa) ~ от1-5. Согласно принятой модели приблизительно 75% комет находятся на орбитах с 5 х 103 < a [a. e.] < 2 х 104, отношение Ninner/Nouter = к = 1. Duncan и др. (1987) отмечают концентрацию комет внутреннего облака Оорта с a < 5 х 103 а. е. на орбитах c низкими наклонениями после 4.6 х 109 лет эволюции. Однако наклонения
орбит комет внутренней части облака Оорта с большими полуосями a > 5 х 103 a. e. распределены изотропно, как и орбиты комет внешнего облака (Duncan и др., 1987).
Число комет внешнего и внутреннего облаков с перигелиями в области (q, q + dq), в соответствии с результатами Hills (1981), принято равным N(q)dq, где N(q) ~ (1 - q/a), q < a. Начальные наклонения i кометных орбит распределены равномерно в соответствии с законом cos i. Начальные значения аргумента перигелия и долготы восходящего узла орбиты каждой кометы выбраны случайно из интервала (0°; 360°).
Элементы орбит комет с q < 35 a. e. записывались вблизи перигелиев и афелиев орбит. Поток комет с (т, Т) < 109 лет (первый этап) и 109 лет < < (т, Т) < 2 х 109 лет (второй этап) рассмотрен отдельно, где т и Т - соответственно момент прохождения перигелия и афелия орбиты.
"НОВЫЕ" КОМЕТЫ
Поток "новых" комет из внешнего облака Оорта
Предполагается, что динамически "новые" кометы движутся по орбитам с a > 104 a. e. Однако после прохождения звезды на расстоянии rQ < 104 а. е. от Солнца в планетную область вбрасываются кометы с a < 104 a. e. Кроме того, динамически "новые" кометы с a ~ 104 а. е. приходят на окраину планетной системы, последовательно перемещаясь из прилежащих областей (q > 35 a. e.) (Mazeeva, Emel'yanenko, 2002). Здесь "новыми" названы все кометы, впервые проходящие область q < 35 a. e.
Распределения перигелиев орбит "новых" комет из внешнего облака в планетной области (q < 35 a. e.) для двух интервалов времени т представлены на рис. 1, где т - момент прохождения перигелия. Распределение, полученное на втором этапе моделирования (сплошная линия на рис. 1), незначительно отличается от распределения полученного на первом этапе (штриховая линия на рис. 1). Поток "новых" комет из внешнего облака Оорта с 15 < q [a. e.] < 31 в 1.7 раз выше, чем в области q < 15 a. e. В области q < 10 a. e. перигелии орбит "новых" комет распределены равномерно. В интервале q (10; 20) а. е. отмечается увеличение потока "новых" комет в 1.3 раза (табл. 1) и в 2 раза в области q (20; 31) a. e. Пики в распределениях перигелиев орбит расположены на окраине планетной системы q > 31 a. e. Поток "новых" комет с q в интервале (30; 35) a. e. приблизительно в 15 раз выше, чем с q < 1 a. e.
На рис. 2 представлено распределение орбит "новых" комет из внешнего облака Оорта c q < 35 a. e. в зависимости от больших полуосей, где (рис. 2) ^(a) - доля "новых" комет относительно полного количества комет во внешнем облаке Оорта (Nouter = 105 комет). После 109 лет динамической
Количество "новых" комет из внешнего облака Оорта
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Поток комет с 109 < т [лет] < 2 • 109
Поток комет с т < 109 лет
0.5
0 5 10 15 20 25 30 35
q, а. е.
Рис. 1. Распределения орбит "новых" комет из внешнего облака по перигелиям q (д < 35 а. е.) для двух интервалов т. Количество комет приведено к числу комет с q < 1 а. е. и т < 109 лет.
Ц(а) 0.00225
0.00200
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.