[论文解读] Asteroids in the Inner Solar System II - Observable Properties

N. W. Evans, Serge Tabachnik|May 19, 2000

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文通过轨道积分模拟水星、金星、地球和火星周围的长寿命共轨小行星，预测其可观测特性（如天球位置、自行和亮度），以指导未来巡天。结果表明，稳定种群集中在经典拉格朗日点附近但不完全重合，具有较宽的速度分布和非传统的峰值位置，尤其在水星附近更为显著，并识别出利用大视场CCD、GAIA和红外巡天探测半径小至0.8公里小行星的最优搜索策略。

ABSTRACT

This paper presents synthetic observations of long-lived, coorbiting asteroids of Mercury, Venus, the Earth and Mars. Our sample is constructed by taking the limiting semimajor axes, differential longitudes and inclinations for long-lived stability provided by simulations. The intervals are randomly populated with values to create initial conditions. These orbits are re-simulated to check that they are stable and then re-sampled every 2.5 years for 1 million years. The Mercurian sample contains only horseshoe orbits, the Martian sample only tadpoles. For both Venus and the Earth, the greatest concentration of objects on the sky occurs close to the classical Lagrange points at heliocentric ecliptic longitudes of 60 and 300 degrees. The distributions are broad especially if horseshoes are present in the sample. The full-width half maximum (FWHM) in heliocentric longitude for Venus is 325 degrees and for the Earth is 328 degrees. The mean and most common velocity of these coorbiting satellites coincides with the mean motion of the parent planet, but again the spread is wide with a FWHM for Venus of 27.8 arcsec/hr and for the Earth of 21.0 arcsec/hr. For Mars, the greatest concentration on the sky occurs at heliocentric ecliptic latitudes of 12 degrees. The peak of the velocity distribution occurs at 65 arcsec/hr, significantly less than the Martian mean motion, while its FWHM is 32.3 arcsec/hr. The case of Mercury is the hardest of all, as the greatest concentration occurs at heliocentric longitudes close to the Sun.

研究动机与目标

• 模拟内太阳系中长寿命共轨小行星的合成可观测特性。
• 识别利用当前及未来观测技术探测这些难以捉摸天体的最优搜索策略。
• 量化水星、金星、地球和火星拉格朗日点附近小行星的空间分布、自行和可探测性阈值。
• 评估以往搜寻工作的局限性，以及未来任务如GAIA和SDSS在发现这些种群方面的潜力。

提出的方法

• 对测试粒子进行100万年尺度的N体数值积分，以识别水星、金星、地球和火星周围的稳定共轨轨道。
• 初始条件基于先前1亿年模拟所得的稳定性极限，从半长轴、轨道倾角和相对经度的均匀分布范围内选取。
• 每2.5年重新模拟并采样一次轨道，以生成关于天球位置、自行和亮度的合成观测数据。
• 通过幸存测试粒子计算天空位置的概率密度等高线和速度分布，以建模可探测性。
• 基于视场、曝光时间、追踪方法和不同仪器的灵敏度阈值，评估各类搜索策略。
• 基于最高浓度区域的星等调整，推导出GAIA、SDSS、大视场CCD和红外日冕仪的灵敏度估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金星、地球、火星和水星周围，探测共轨小行星最可能的天球位置在哪里？它们与经典拉格朗日点的偏离程度如何？
• RQ2 这些共轨小行星的预期自行分布是什么？其全宽半高（FWHM）范围有多大？
• RQ3 利用当前及未来巡天（如GAIA、SDSS和大视场CCD成像）探测共轨小行星的可探测性极限是什么？
• RQ4 为何仅某些轨道类型（如马蹄形或特洛伊形）对每颗行星稳定？这对搜索策略有何影响？
• RQ5 以往巡天的观测约束与共轨种群预测可探测性相比如何？

主要发现

• 对于金星，共轨小行星的最大浓度出现在日心黄道经度60°和300°处，经度方向的全宽半高（FWHM）为325°。
• 对于地球，天球分布的峰值位于60°和300°，FWHM为328°，最常见的自行速度为21.0弧秒/小时，FWHM同样为21.0弧秒/小时。
• 对于火星，天球浓度峰值出现在日心黄道纬度±12°处，最可能的自行速度为65弧秒/小时，FWHM为32.3弧秒/小时。
• 对于水星，最可能的位置为日心经度16.0°和348.5°，显著偏离经典60°和300°点，这是由于轨道偏心率所致。
• 水星共轨天体最常见的自行速度为459弧秒/小时，但速度可超过1000弧秒/小时，表明存在高速探测挑战。
• GAIA预计可探测到半径≥0.8公里的共轨金星小行星，以及半径≥1公里的类地共轨小行星；半径≥1.9公里的火星特洛伊小行星也可被GAIA探测到。