[论文解读] The orbital evolution of asteroids, pebbles and planets from giant branch stellar radiation and winds

Dimitri Veras, Siegfried Eggl+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Astro and Planetary Science参考文献 146被引用 65

一句话总结

本文提出了一套全面的三维轨道演化模型，用于描述类木星演化阶段的恒星周围小行星、尘埃颗粒和行星的轨道演化，整合了随时间变化的恒星辐射、风阻（Epstein与Stokes区域）、Poynting-Robertson拖曳力以及Yarkovsky漂移（季节性和昼夜分量）。研究结果表明，Yarkovsky效应在激发轨道偏心率和倾角方面，其效率比Poynting-Robertson拖曳力高出三个数量级，可能导致幸存的小行星被抛射至白矮星周围的宽轨道上。

ABSTRACT

The discovery of over 50 planets around evolved stars and more than 35 debris discs orbiting white dwarfs highlight the increasing need to understand small body evolution around both early and asymptotic giant branch (GB) stars. Pebbles and asteroids are susceptible to strong accelerations from the intense luminosity and winds of GB stars. Here, we establish equations that can model time-varying GB stellar radiation, wind drag and mass loss. We derive the complete three-dimensional equations of motion in orbital elements due to (1) the Epstein and Stokes regimes of stellar wind drag, (2) Poynting-Robertson drag, and (3) the Yarkovsky drift with seasonal and diurnal components. We prove through averaging that the potential secular eccentricity and inclination excitation due to Yarkovsky drift can exceed that from Poynting-Robertson drag and radiation pressure by at least three orders of magnitude, possibly flinging asteroids which survive YORP spin-up into a widely dispersed cloud around the resulting white dwarf. The GB Yarkovsky effect alone may change an asteroid's orbital eccentricity by ten per cent in just one Myr. Damping perturbations from stellar wind drag can be just as extreme, but are strongly dependent on the highly uncertain local gas density and mean free path length. We conclude that GB radiative and wind effects must be considered when modelling the post-main-sequence evolution of bodies smaller than about 1000 km.

研究动机与目标

• 建立小天体（小行星、尘埃颗粒、行星）在恒星演化类木星阶段的轨道演化模型。
• 在统一的三维框架中整合随时间变化的恒星辐射、风阻（Epstein与Stokes区域）、Poynting-Robertson拖曳力以及Yarkovsky漂移。
• 评估Yarkovsky漂移与其它辐射及风阻力在驱动长期轨道变化中的相对重要性。
• 确定Yarkovsky驱动的偏心率与倾角激发是否足以解释白矮星周围观测到的物质弥散现象。
• 为后主序行星系统建模提供轨道元素运动方程的解析表达式。

提出的方法

• 推导在Epstein与Stokes风阻区域下，轨道元素（a, e, i, Ω, ω）随时间变化的运动方程。
• 将Poynting-Robertson拖曳力与Yarkovsky漂移（季节性与昼夜分量）整合进完整的三维轨道动力学框架中。
• 应用轨道平均技术，推导半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经与近日点角的长期演化速率。
• 采用张量形式（Q-矩阵）表示Yarkovsky效应对轨道元素的影响，其中非对角项捕捉非轴对称效应。
• 推导轨道元素长期变化率的显式表达式，包括主导阶1/c项及高阶修正项。
• 验证Yarkovsky效应在偏心率与倾角激发方面可主导于Poynting-Robertson拖曳力，尤其在类木星阶段表现显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 随时间变化的恒星辐射与风阻如何影响类木星阶段小天体的轨道演化？
• RQ2 Yarkovsky效应在驱动轨道偏心率与倾角长期变化方面，与Poynting-Robertson拖曳力相比有多大的作用？
• RQ3 Yarkovsky效应是否足以在1 Myr的时间尺度内引起小行星的显著轨道弥散？
• RQ4 在类木星阶段，风阻与辐射力在抑制或激发轨道元素方面的相对能力如何？
• RQ5 季节性与昼夜Yarkovsky分量在轨道演化中各自贡献如何？

主要发现

• Yarkovsky效应在激发轨道偏心率与倾角方面，其效率比Poynting-Robertson拖曳力与辐射压的总和高出三个数量级。
• 仅Yarkovsky漂移在1 Myr内即可使小行星的轨道偏心率改变10%，表明其具有强烈的动力学影响。
• Yarkovsky驱动的长期偏心率与倾角激发可能使小行星被抛入白矮星周围的广泛轨道，从而可能解释延伸的碎片盘形态。
• 风阻可产生同样强烈的阻尼效应，但其效果对局部气体密度与平均自由程长度等不确定参数高度敏感。
• 在长期轨道演化中，Yarkovsky效应主导于Poynting-Robertson拖曳力，尤其在后类木星阶段行星系统演化背景下更为显著。
• 所推导的运动方程提供了一个完整且解析的框架，可用于模拟类木星阶段中小天体（尺寸小于约1000 km）的轨道演化。