[論文レビュー] Formation and migration of trans-Neptunian objects and asteroids

С. И. Ипатов|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2002

Astro and Planetary Science参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、シンプレクティック法および直接積分法を用いて、海王星外天体（TNO）および小惑星の軌道的進化と形成メカニズムを調査する。大規模TNO（d ≥ 100 km）は、小惑星の衝突堆積による形成ではなく、希薄なダスト凝縮物の重力的圧縮によって直接形成された可能性が示され、近地小惑星の大部分が海王星外領域由来であると推定され、衝突確率から地球への水氷の供給が顕著であることが示された。

ABSTRACT

The evolution of thousands of orbits of Jupiter-family comets and asteroids under the gravitational influence of planets was calculated. Comparison of the results obtained by a symplectic method with those obtained by direct integration showed that a symplectic method is not always good for investigations of the orbital evolution of such bodies. Basing on the results of orbital evolution of bodies, we concluded that a considerable portion of near-Earth objects could have come from the trans-Neptunian region. Some large trans-Neptunian objects could be formed by the compression of rarefied dust condensations, but not by the accumulation of smaller planetesimals.

研究の動機と目的

• ジュピター族コメットおよび小惑星の長期的軌道的進化をモデル化する際、シンプレクティック積分法の妥当性を評価すること。
• 海王星外天体（TNO）および散乱円盤天体（SDO）の移動を追跡することで、近地小惑星（NEO）の起源を調査すること。
• 大規模TNO（d ≥ 100 km）の形成メカニズムを評価し、従来の小惑星の堆積モデルに代わって、希薄なダスト凝縮物の直接的重力的圧縮を支持すること。
• TNOおよび小惑星の衝突確率と寿命を推定し、TNOが地球への水の供給に果たす貢献を評価すること。

提案手法

• 7,850個の木星軌道を横切る天体（JCO）の軌道的進化を、高精度の誤差制御（ε < 10⁻⁹ ～ 10⁻⁸）を備えたBulirsch-Stoer（BULSTO）数値積分法を用いてシミュレーションした。
• BULSTOの結果を、シンプレクティック積分法（RMVS3）の結果と比較し、特に高い離心率軌道における軌道的進化の捉え方において、シンプレクティック法の正確性を評価した。
• JCOおよび木星と共鳴する小惑星（3:1および5:2共鳴）の初期軌道要素（長半径、離心率、傾き）を変化させ、初期平均近点角および昇交点線長を変数パラメータとして用いた。
• 近日点距離が惑星の長半径未満である条件に基づき、500年ごとの積分ステップのデータを用いて、衝突確率および時定数（TおよびT_J）を計算した。
• 移行時間および軌道的進化データを基に、現在のさまざまな近地軌道（IEO、アテングループ、アポロ型、アモール型）にある1km級TNOの数を推定した。
• TNOおよび小惑星の衝突的寿命は約1Gyrと推定され、1m級小惑星のような小さな物体では約1Myrの寿命であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンプレクティック積分法は、強い重力的摂動下でもTNOおよびジュピター族コメットの軌道的進化を正確にモデル化できるか？
• RQ2 近地小惑星（NEO）のうち、何パーセントが海王星外領域由来であり、主小惑星帯からの寄与と比べてどうか？
• RQ3 希薄なダスト凝縮物の直接的重力的圧縮は、大規模TNO（d ≥ 100 km）の形成に、小惑星の堆積モデルに代わる妥当な代替メカニズムとなり得るか？
• RQ4 1km級TNOが地球に衝突する確率はどの程度であり、そのような衝突によって地球にどれほどの水氷が供給されたと考えられるか？

主な発見

• シンプレクティック積分法は、高離心率および接近接近時の力学的挙動を正しく捉えられていないため、TNOおよびJCOの軌道的進化を正確にモデル化するには不適切であることが判明した。
• 1km級TNOのうち、約100～1,700個がアモール型軌道にあると推定され、6,600個がアポロ型軌道にあると推定され、TNOが近地小惑星集団に顕著な貢献をしていることが示された。
• 1km級TNOが地球に衝突する確率は6×10⁻⁶と推定され、平均して0.5Myrごとに1回の衝突が起こると考えられる。
• TNOから地球に衝突する物質の総質量は6×10⁻⁴地球質量と推定され、その半分が水氷であるとされ、地球の海洋と同等またはそれ以上の水の供給が示唆された。
• 大規模TNO（d ≥ 100 km）は、小惑星の堆積による形成ではなく、30AUを超える領域で希薄なダスト凝縮物の直接的重力的圧縮によって形成された可能性が高く、高い離心率が安定な堆積を妨げるためである。
• 衝突的寿命は100km級TNOで約1Gyr、1m級小惑星で約1Myrと推定され、小さな物体は特にSDOの影響を強く受けて破壊されやすい。