[論文レビュー] Solar wind and motion of dust grains

J. Klačka, Jaromír Petržala+2 more|ArXiv.org|Apr 17, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、スパッタリングによる質量損失と非径方向の太陽風速度を組み込んだ、任意の形状をした行性間チリ粒子に対する相対論的に共変な運動方程式を導出する。非径方向の太陽風と質量減少が、古典的なポンジング＝ロバートソン効果とは逆に太陽から遠ざかる運動を引き起こすことが示され、10 AUを超える領域では、近日点の進みと径方向モデルからの顕著なずれを伴う、質的に異なる軌道的進化が生じることを明らかにする。

ABSTRACT

Action of solar wind on arbitrarily shaped interplanetary dust particle is investigated. The final relativistically covariant equation of motion of the particle contains both orbital evolution and change of particle's mass. Non-radial solar wind velocity vector is also included. The covariant equation of motion reduces to the Poynting-Robertson effect in the limiting case when spherical particle is treated, the speed of the incident solar wind corpuscles tends to the speed of light and the corpuscles spread radially from the Sun. The results of quantum mechanics have to be incorporated into the physical considerations, in order to obtain the limiting case. The condition for the solar wind effect on motion of spherical interplanetary dust particle is $\vec{p}'_{out}$ $=$ (1 $-$ $σ'_{pr} / σ'_{tot}$) $\vec{p}'_{in}$, where $\vec{p}'_{in}$ and $\vec{p}'_{out}$ are incoming and outgoing radiation momenta (per unit time) measured in the proper frame of reference of the particle; $σ'_{pr}$ and $σ'_{tot}$ are solar wind pressure and total scattering cross sections. Real flux density of solar wind energy produces shift of perihelion of interplanetary dust particles. This result significantly differs from the standard treatment of the action of the solar wind on dust particles, when analogy with the Poynting-Robertson effect is stressed. Moreover, the evolution of the shift of perihelion depends on orbital position of the parent body at the time of ejection of the particle.

研究の動機と目的

• 太陽風力に起因する行性間チリ粒子の相対論的に共変な運動方程式を、質量損失と非径方向風成分を含めて開発すること。
• 物理的整合性を確保するため、粒子的放射と量子力学的効果を含めたポンジング＝ロバートソン効果の拡張を行うこと。
• 非径方向太陽風と質量減少が軌道的進化に与える影響、特に10 AUを超える領域における影響を調査すること。
• 時間変動する実際の太陽風モデルと、標準的な径方向で時間に依存しない近似モデルを比較すること。
• 電磁的および粒子的太陽風効果が組み合わされた状態での軌道要素の長期的進化を分析すること。

提案手法

• 任意の形状のチリ粒子に適用可能な、時空形式を用いた完全に相対論的に共変な運動方程式を導出する。
• 高速で径方向の太陽風における極限状態での物理的整合性を保つために、量子力学的結果を組み込む。
• 四元運動量形式とローレンツ変換を用いて、太陽風粒子から粒子への運動量移動をモデル化する。
• 球形チリ粒子に方程式を適用し、スパッタリングによる質量損失と太陽重力も含める。
• 方程式を解析的および数値的に解き、軌道的進化と近日点の進みを研究する。
• 実際の太陽風（非径方向、時間変動するフラックス）と、標準的な径方向で定常フラックスのモデルとの結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非径方向の太陽風速度は、径方向近似と比較して、行性間チリ粒子の軌道的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どのような条件下で、太陽風が古典的なポンジング＝ロバートソン効果とは逆に、太陽から遠ざかる運動を引き起こすか？
• RQ3 時間変動する太陽風フラックスは、チリ粒子の近日点の進みにどのように影響を与えるか？
• RQ4 スパッタリングによる質量損失は、マイクロメートルサイズのチリ粒子の軌道的力学にどのように影響を及えるか？
• RQ5 量子力学的考察は、相対論的枠組みにおける太陽風力の極限的挙動にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 非径方向の太陽風速度は、粒子半径が一定であっても、特に10 AUを超える領域でチリ粒子の太陽からの遠ざかり運動を引き起こす。
• 時間変動する実際の太陽風フラックスは近日点の進みを引き起こし、標準的な径方向モデルとは顕著に異なる。
• 10 AU未満の太陽系距離では、実際のフラックスモデルと定常フラックスモデルとの間で、太陽への降下時間に約10%の差が生じる。
• スパッタリングによる質量損失は、径方向太陽風が存在しない状況でも、非径方向風効果と組み合わせることで遠ざかり運動を引き起こす。
• 導出された相対論的運動方程式は、径方向で光速の風で質量損失がない極限状態でのみポンジング＝ロバートソン効果に還元される。
• 運動方程式の解析的解は数値結果と一致し、質量損失と非径方向風の条件下での定性的な挙動が確認された。