[论文解读] A pre-Caloris synchronous rotation for Mercury

M. A. Wieczorek, A. C. M. Correia+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2011

Astro and Planetary Science参考文献 31被引用 28

一句话总结

本文提出，水星最初呈逆行自转，有68%的概率被捕获进入同步自转，随后通过大型撞击事件（特别是卡路里盆地）的动量转移而逃逸，最终被捕获到当前的3:2自转轨道共振状态。该模型通过在同步自转期间的空间异质性撞击，解释了卡路里盆地形成前的撞击盆地分布特征。

ABSTRACT

The planet Mercury is locked in a spin-orbit resonance where it rotates three times about its spin axis for every two orbits about the Sun. The current explanation for this unique state assumes that the initial rotation of this planet was prograde and rapid, and that tidal torques decelerated the planetary spin to this resonance. When core-mantle boundary friction is accounted for, capture into the 3/2 resonance occurs with a 26% probability, but the most probable outcome is capture into one of the higher-order resonances. Here we show that if the initial rotation of Mercury were retrograde, this planet would be captured into synchronous rotation with a 68% probability. Strong spatial variations of the impact cratering rate would have existed at this time, and these are shown to be consistent with the distribution of pre-Calorian impact basins observed by Mariner 10 and MESSENGER. Escape from this highly stable resonance is made possible by the momentum imparted by large basin-forming impact events, and capture into the 3/2 resonance occurs subsequently under favourable conditions.

研究动机与目标

• 探究水星当前的3:2自转轨道共振是否可能源于初始逆行自转，而非标准的顺行模型。
• 评估在初始逆行条件下实现同步捕获的概率，以及其后续通过大型撞击事件逃逸的可能性。
• 检验观测到的卡路里盆地形成前的撞击盆地空间分布是否与同步自转阶段一致。
• 量化解锁水星同步自转并使其捕获进入3:2共振所需的撞击体尺寸和撞击几何条件阈值。
• 评估轨道偏心率和地核-地幔边界摩擦在共振跃迁过程中的作用。

提出的方法

• 利用潮汐耗散、行星摄动和地核-地幔边界摩擦模型，对水星的自转与轨道演化进行1亿年数值积分。
• 对1,000次模拟（初始自转周期为−10天的逆行自转）进行统计分析，以确定共振捕获概率。
• 利用撞击坑尺寸标度定律，建模盆地形成撞击事件的动量传递，估算所需撞击体的尺寸。
• 在不同初始撞击后自转速率下，模拟撞击后的自转演化，以评估进入3:2共振的概率。
• 将同步自转条件下预测的撞击频率分布与“水手10号”和“信使号”观测数据进行对比。
• 采用两种近地天体种群模型（Bottke等人的模型和H < 18的观测对象）计算预期的撞击通量和速度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 若水星初始自转为逆行，其实现同步自转的概率是多少？
• RQ2 大型撞击事件是否能够使水星脱离同步自转状态，并使其后续被捕获进入3:2自转轨道共振？
• RQ3 观测到的卡路里盆地形成前的撞击盆地空间分布是否与同步自转阶段一致？
• RQ4 需要多大的撞击体和何种撞击几何条件，才能使水星的自转速率超过同步自转速率？
• RQ5 轨道偏心率和地核-地幔边界摩擦的变化如何影响共振跃迁的可能性？

主要发现

• 初始逆行自转导致68%的概率被捕获进入同步自转，而标准顺行模型下仅为26%。
• 通过大型撞击事件的动量转移，水星可实现从同步自转状态的逃逸，其中卡路里盆地（直径1,450公里）是唯一能直接实现向3:2共振转移的最后一次事件。
• 直接转移至3:2共振需要形成直径在650至1,100公里之间的盆地，且在已知的14个此类尺寸的盆地中，仅有约一半具备有利的撞击几何条件。
• 对于撞击后自转速率仅略高于同步速率（约1.1倍）的情况，1,000次模拟中3:2共振的捕获概率为56%。
• 当撞击后自转速率超过3:2共振速率时，3:2共振的捕获概率高达96%，表明在有利条件下具有高度稳定性。
• 观测到的卡路里盆地形成前的撞击盆地角分布（平均位于90°W、0°N以北约65°）与均匀撞击分布不一致，但与同步自转条件下太阳直射点位于90°W或90°E的预测结果一致。