[论文解读] 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 5

一句话总结

本文推导出在太阳风力作用下，对任意形状的星际尘埃粒子的相对论协变运动方程，考虑了因溅射导致的质量损失以及非径向太阳风速度。结果表明，非径向太阳风和质量减少可导致尘埃粒子远离太阳运动，这与经典Poynting-Robertson效应相反，揭示了在外太阳系中轨道演化存在定性不同的特征，包括近日点进动以及在10 AU以外显著偏离径向模型的偏差。

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.

研究动机与目标

• 推导在太阳风力作用下，包含质量损失和非径向风分量的星际尘埃粒子的相对论协变运动方程。
• 将Poynting-Robertson效应扩展至包含粒子辐射和量子力学效应，以确保物理一致性。
• 研究非径向太阳风和质量减少如何改变轨道演化，特别是在10 AU以外的区域。
• 将时变的真实太阳风模型与标准的径向、时不变近似模型进行比较。
• 分析在电磁与粒子太阳风共同作用下轨道元素的长期演化。

提出的方法

• 使用时空形式化方法推导出完全相对论协变的运动方程，适用于任意形状的尘埃粒子。
• 结合量子力学结果，确保在高速、径向太阳风极限情况下的物理一致性。
• 采用四维动量形式化和洛伦兹变换，模拟太阳风粒子向尘埃粒子的动量传递。
• 将方程应用于球形尘埃粒子，包括因溅射和太阳引力导致的质量损失。
• 通过解析和数值求解方程，研究轨道演化和近日点进动。
• 将真实太阳风（非径向、时变通量）下的结果与标准径向、恒定通量模型下的结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与径向近似相比，非径向太阳风速度如何影响星际尘埃粒子的轨道演化？
• RQ2 在何种条件下太阳风可导致尘埃粒子远离太阳运动，与经典Poynting-Robertson效应相反？
• RQ3 时变太阳风通量如何影响尘埃粒子的近日点进动？
• RQ4 通过溅射导致的质量损失在改变微米级尘埃颗粒轨道动力学中起什么作用？
• RQ5 量子力学考虑如何影响在相对论框架下太阳风力的极限行为？

主要发现

• 非径向太阳风速度可导致尘埃粒子远离太阳运动，即使粒子半径保持不变，尤其在10 AU以外区域更为显著。
• 时变的真实太阳风通量导致近日点进动，与标准径向模型存在显著差异。
• 在日心距离小于10 AU时，真实通量模型与恒定通量模型下的向太阳螺旋时间相差约10%。
• 由于溅射导致的质量损失可引起远离太阳运动，即使在无径向太阳风的情况下，只要与非径向风效应结合即可实现。
• 所推导的相对论运动方程仅在径向、光速风且无质量损失的极限情况下退化为Poynting-Robertson效应。
• 运动方程的解析解与数值结果一致，证实了在质量损失和非径向风条件下定性行为的可靠性。