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对火星轨道变化问题的最后解释

小说:死在火星上作者:天瑞说符字数:5540更新时间 : 2019-01-09 21:14:47
  作者君在作品相关中其实已经解释过这个问题。

  不过仍然有人质疑。

  那么作者君在此列出相关参考文献中的一篇开源论文。

  以下是文章内容:

  Long-term  integrations  and  stability  of  planetary  orbits  in  our  Solar  system

  Abstract

  We  present  the  results  of  very  long-term  numerical  integrations  of  planetary  orbital  motions  over  109  -yr  time-spans  including  all  nine  planets.  A  quick  inspection  of  our  numerical  data  shows  that  the  planetary  motion,  at  least  in  our  simple  dynamical  model,  seems  to  be  quite  stable  even  over  this  very  long  time-span.  A  closer  look  at  the  lowest-frequency  oscillations  using  a  low-pass  filter  shows  us  the  potentially  diffusive  character  of  terrestrial  planetary  motion,  especially  that  of  Mercury.  The  behaviour  of  the  eccentricity  of  Mercury  in  our  integrations  is  qualitatively  similar  to  the  results  from  Jacques  Laskar's  secular  perturbation  theory  (e.g.  emax∼  0.35  over  ∼±  4  Gyr).  However,  there  are  no  apparent  secular  increases  of  eccentricity  or  inclination  in  any  orbital  elements  of  the  planets,  which  may  be  revealed  by  still  longer-term  numerical  integrations.  We  have  also  performed  a  couple  of  trial  integrations  including  motions  of  the  outer  five  planets  over  the  duration  of  ±  5  ×  1010  yr.  The  result  indicates  that  the  three  major  resonances  in  the  Neptune–Pluto  system  have  been  maintained  over  the  1011-yr  time-span.

  1  Introduction

  1.1Definition  of  the  problem

  The  question  of  the  stability  of  our  Solar  system  has  been  debated  over  several  hundred  years,  since  the  era  of  Newton.  The  problem  has  attracted  many  famous  mathematicians  over  the  years  and  has  played  a  central  role  in  the  development  of  non-linear  dynamics  and  chaos  theory.  However,  we  do  not  yet  have  a  definite  answer  to  the  question  of  whether  our  Solar  system  is  stable  or  not.  This  is  partly  a  result  of  the  fact  that  the  definition  of  the  term  ‘stability’  is  vague  when  it  is  used  in  relation  to  the  problem  of  planetary  motion  in  the  Solar  system.  Actually  it  is  not  easy  to  give  a  clear,  rigorous  and  physically  meaningful  definition  of  the  stability  of  our  Solar  system.

  Among  many  definitions  of  stability,  here  we  adopt  the  Hill  definition  (Gladman  1993):  actually  this  is  not  a  definition  of  stability,  but  of  instability.  We  define  a  system  as  becoming  unstable  when  a  close  encounter  occurs  somewhere  in  the  system,  starting  from  a  certain  initial  configuration  (Chambers,  Wetherill  &  Boss  1996;  Ito  &  Tanikawa  1999).  A  system  is  defined  as  experiencing  a  close  encounter  when  two  bodies  approach  one  another  within  an  area  of  the  larger  Hill  radius.  Otherwise  the  system  is  defined  as  being  stable.  Henceforward  we  state  that  our  planetary  system  is  dynamically  stable  if  no  close  encounter  happens  during  the  age  of  our  Solar  system,  about  ±5  Gyr.  Incidentally,  this  definition  may  be  replaced  by  one  in  which  an  occurrence  of  any  orbital  crossing  between  either  of  a  pair  of  planets  takes  place.  This  is  because  we  know  from  experience  that  an  orbital  crossing  is  very  likely  to  lead  to  a  close  encounter  in  planetary  and  protoplanetary  systems  (Yoshinaga,  Kokubo  &  Makino  1999).  Of  course  this  statement  cannot  be  simply  applied  to  systems  with  stable  orbital  resonances  such  as  the  Neptune–Pluto  system.

  1.2Previous  studies  and  aims  of  this  research

  In  addition  to  the  vagueness  of  the  concept  of  stability,  the  planets  in  our  Solar  system  show  a  character  typical  of  dynamical  chaos  (Sussman  &  Wisdom  1988,  1992).  The  cause  of  this  chaotic  behaviour  is  now  partly  understood  as  being  a  result  of  resonance  overlapping  (Murray  &  Holman  1999;  Lecar,  Franklin  &  Holman  2001).  However,  it  would  require  integrating  over  an  ensemble  of  planetary  systems  including  all  nine  planets  for  a  period  covering  several  10  Gyr  to  thoroughly  understand  the  long-term  evolution  of  planetary  orbits,  since  chaotic  dynamical  systems  are  characterized  by  their  strong  dependence  on  initial  conditions.

  From  that  point  of  view,  many  of  the  previous  long-term  numerical  integrations  included  only  the  outer  five  planets  (Sussman  &  Wisdom  1988;  Kinoshita  &  Nakai  1996).  This  is  because  the  orbital  periods  of  the  outer  planets  are  so  much  longer  than  those  of  the  inner  four  planets  that  it  is  much  easier  to  follow  the  system  for  a  given  integration  period.  At  present,  the  longest  numerical  integrations  published  in  journals  are  those  of  Duncan  &  Lissauer  (1998).  Although  their  main  target  was  the  effect  of  post-main-sequence  solar  mass  loss  on  the  stability  of  planetary  orbits,  they  performed  many  integrations  covering  up  to  ∼1011  yr  of  the  orbital  motions  of  the  four  jovian  planets.  The  initial  orbital  elements  and  masses  of  planets  are  the  same  as  those  of  our  Solar  system  in  Duncan  &  Lissauer's  paper,  but  they  decrease  the  mass  of  the  Sun  gradually  in  their  numerical  experiments.  This  is  because  they  consider  the  effect  of  post-main-sequence  solar  mass  loss  in  the  paper.  Consequently,  they  found  that  the  crossing  time-scale  of  planetary  orbits,  which  can  be  a  typical  indicator  of  the  instability  time-scale,  is  quite  sensitive  to  the  rate  of  mass  decrease  of  the  Sun.  When  the  mass  of  the  Sun  is  close  to  its  present  value,  the  jovian  planets  remain  stable  over  1010  yr,  or  perhaps  longer.  Duncan  &  Lissauer  also  performed  four  similar  experiments  on  the  orbital  motion  of  seven  planets  (Venus  to  Neptune),  which  cover  a  span  of  ∼109  yr.  Their  experiments  on  the  seven  planets  are  not  yet  comprehensive,  but  it  seems  that  the  terrestrial  planets  also  remain  stable  during  the  integration  period,  maintaining  almost  regular  oscillations.

  On  the  other  hand,  in  his  accurate  semi-analytical  secular  perturbation  theory  (Laskar  1988),  Laskar  finds  that  large  and  irregular  variations  can  appear  in  the  eccentricities  and  inclinations  of  the  terrestrial  planets,  especially  of  Mercury  and  Mars  on  a  time-scale  of  several  109  yr  (Laskar  1996).  The  results  of  Laskar's  secular  perturbation  theory  should  be  confirmed  and  investigated  by  fully  numerical  integrations.

  In  this  paper  we  present  preliminary  results  of  six  long-term  numerical  integrations  on  all  nine  planetary  orbits,  covering  a  span  of  several  109  yr,  and  of  two  other  integrations  covering  a  span  of  ±  5  ×  1010  yr.  The  total  elapsed  time  for  all  integrations  is  more  than  5  yr,  using  several  dedicated  PCs  and  workstations.  One  of  the  fundamental  conclusions  of  our  long-term  integrations  is  that  Solar  system  planetary  motion  seems  to  be  stable  in  terms  of  the  Hill  stability  mentioned  above,  at  least  over  a  time-span  of  ±  4  Gyr.  Actually,  in  our  numerical  integrations  the  system  was  far  more  stable  than  what  is  defined  by  the  Hill  stability  criterion:  not  only  did  no  close  encounter  happen  during  the  integration  period,  but  also  all  the  planetary  orbital  elements  have  been  confined  in  a  narrow  region  both  in  time  and  frequency  domain,  though  planetary  motions  are  stochastic.  Since  the  purpose  of  this  paper  is  to  exhibit  and  overview  the  results  of  our  long-term  numerical  integrations,  we  show  typical  example  figures  as  evidence  of  the  very  long-term  stability  of  Solar  system  planetary  motion.  For  readers  who  have  more  specific  and  deeper  interests  in  our  numerical  results,  we  have  prepared  a  webpage  (access  ),  where  we  show  raw  orbital  elements,  their  low-pass  filtered  results,  variation  of  Delaunay  elements  and  angular  momentum  deficit,  and  results  of  our  simple  time–frequency  analysis  on  all  of  our  integrations.

  In  Section  2  we  briefly  explain  our  dynamical  model,  numerical  method  and  initial  conditions  used  in  our  integrations.  Section  3  is  devoted  to  a  description  of  the  quick  results  of  the  numerical  integrations.  Very  long-term  stability  of  Solar  system  planetary  motion  is  apparent  both  in  planetary  positions  and  orbital  elements.  A  rough  estimation  of  numerical  errors  is  also  given.  Section  4  goes  on  to  a  discussion  of  the  longest-term  variation  of  planetary  orbits  using  a  low-pass  filter  and  includes  a  discussion  of  angular  momentum  deficit.  In  Section  5,  we  present  a  set  of  numerical  integrations  for  the  outer  five  planets  that  spans  ±  5  ×  1010  yr.  In  Section  6  we  also  discuss  the  long-term  stability  of  the  planetary  motion  and  its  possible  cause.

  2  Description  of  the  numerical  integrations

  (本部分涉及比较复杂的积分计算,作者君就不贴上来了,贴上来了起点也不一定能成功显示。)

  2.3  Numerical  method

  We  utilize  a  second-order  Wisdom–Holman  symplectic  map  as  our  main  integration  method  (Wisdom  &  Holman  1991;  Kinoshita,  Yoshida  &  Nakai  1991)  with  a  special  start-up  procedure  to  reduce  the  truncation  error  of  angle  variables,‘warm  start’(Saha  &  Tremaine  1992,  1994).

  The  stepsize  for  the  numerical  integrations  is  8  d  throughout  all  integrations  of  the  nine  planets  (N±1,2,3),  which  is  about  1/11  of  the  orbital  period  of  the  innermost  planet  (Mercury).  As  for  the  determination  of  stepsize,  we  partly  follow  the  previous  numerical  integration  of  all  nine  planets  in  Sussman  &  Wisdom  (1988,  7.2  d)  and  Saha  &  Tremaine  (1994,  225/32  d).  We  rounded  the  decimal  part  of  the  their  stepsizes  to  8  to  make  the  stepsize  a  multiple  of  2  in  order  to  reduce  the  accumulation  of  round-off  error  in  the  computation  processes.  In  relation  to  this,  Wisdom  &  Holman  (1991)  performed  numerical  integrations  of  the  outer  five  planetary  orbits  using  the  symplectic  map  with  a  stepsize  of  400  d,  1/10.83  of  the  orbital  period  of  Jupiter.  Their  result  seems  to  be  accurate  enough,  which  partly  justifies  our  method  of  determining  the  stepsize.  However,  since  the  eccentricity  of  Jupiter  (∼0.05)  is  much  smaller  than  that  of  Mercury  (∼0.2),  we  need  some  care  when  we  compare  these  integrations  simply  in  terms  of  stepsizes.

  In  the  integration  of  the  outer  five  planets  (F±),  we  fixed  the  stepsize  at  400  d.

  We  adopt  Gauss'  f  and  g  functions  in  the  symplectic  map  together  with  the  third-order  Halley  method  (Danby  1992)  as  a  solver  for  Kepler  equations.  The  number  of  maximum  iterations  we  set  in  Halley's  method  is  15,  but  they  never  reached  the  maximum  in  any  of  our  integrations.

  The  interval  of  the  data  output  is  200  000  d  (∼547  yr)  for  the  calculations  of  all  nine  planets  (N±1,2,3),  and  about  8000  000  d  (∼21  903  yr)  for  the  integration  of  the  outer  five  planets  (F±).

  Although  no  output  filtering  was  done  when  the  numerical  integrations  were  in  process,  we  applied  a  low-pass  filter  to  the  raw  orbital  data  after  we  had  completed  all  the  calculations.  See  Section  4.1  for  more  detail.

  2.4  Error  estimation

  2.4.1  Relative  errors  in  total  energy  and  angular  momentum

  According  to  one  of  the  basic  properties  of  symplectic  integrators,  which  conserve  the  physically  conservative  quantities  well  (total  orbital  energy  and  angular  momentum),  our  long-term  numerical  integrations  seem  to  have  been  performed  with  very  small  errors.  The  averaged  relative  errors  of  total  energy  (∼10−9)  and  of  total  angular  momentum  (∼10−11)  have  remained  nearly  constant  throughout  the  integration  period  (Fig.  1).  The  special  startup  procedure,  warm  start,  would  have  reduced  the  averaged  relative  error  in  total  energy  by  about  one  order  of  magnitude  or  more.

  Relative  numerical  error  of  the  total  angular  momentum  δA/A0  and  the  total  energy  δE/E0  in  our  numerical  integrationsN±  1,2,3,  where  δE  and  δA  are  the  absolute  change  of  the  total  energy  and  total  angular  momentum,  respectively,  andE0andA0are  their  initial  values.  The  horizontal  unit  is  Gyr.

  Note  that  different  operating  systems,  different  mathematical  libraries,  and  different  hardware  architectures  result  in  different  numerical  errors,  through  the  variations  in  round-off  error  handling  and  numerical  algorithms.  In  the  upper  panel  of  Fig.  1,  we  can  recognize  this  situation  in  the  secular  numerical  error  in  the  total  angular  momentum,  which  should  be  rigorously  preserved  up  to  machine-ε  precision.

  2.4.2  Error  in  planetary  longitudes

  Since  the  symplectic  maps  preserve  total  energy  and  total  angular  momentum  of  N-body  dynamical  systems  inherently  well,  the  degree  of  their  preservation  may  not  be  a  good  measure  of  the  accuracy  of  numerical  integrations,  especially  as  a  measure  of  the  positional  error  of  planets,  i.e.  the  error  in  planetary  longitudes.  To  estimate  the  numerical  error  in  the  planetary  longitudes,  we  performed  the  following  procedures.  We  compared  the  result  of  our  main  long-term  integrations  with  some  test  integrations,  which  span  much  shorter  periods  but  with  much  higher  accuracy  than  the  main  integrations.  For  this  purpose,  we  performed  a  much  more  accurate  integration  with  a  stepsize  of  0.125  d  (1/64  of  the  main  integrations)  spanning  3  ×  105  yr,  starting  with  the  same  initial  conditions  as  in  the  N−1  integration.  We  consider  that  this  test  integration  provides  us  with  a  ‘pseudo-true’  solution  of  planetary  orbital  evolution.  Next,  we  compare  the  test  integration  with  the  main  integration,  N−1.  For  the  period  of  3  ×  105  yr,  we  see  a  difference  in  mean  anomalies  of  the  Earth  between  the  two  integrations  of  ∼0.52°(in  the  case  of  the  N−1  integration).  This  difference  can  be  extrapolated  to  the  value  ∼8700°,  about  25  rotations  of  Earth  after  5  Gyr,  since  the  error  of  longitudes  increases  linearly  with  time  in  the  symplectic  map.  Similarly,  the  longitude  error  of  Pluto  can  be  estimated  as  ∼12°.  This  value  for  Pluto  is  much  better  than  the  result  in  Kinoshita  &  Nakai  (1996)  where  the  difference  is  estimated  as  ∼60°.

  3  Numerical  results  –  I.  Glance  at  the  raw  data

  In  this  section  we  briefly  review  the  long-term  stability  of  planetary  orbital  motion  through  some  snapshots  of  raw  numerical  data.  The  orbital  motion  of  planets  indicates  long-term  stability  in  all  of  our  numerical  integrations:  no  orbital  crossings  nor  close  encounters  between  any  pair  of  planets  took  place.

  3.1  General  description  of  the  stability  of  planetary  orbits

  First,  we  briefly  look  at  the  general  character  of  the  long-term  stability  of  planetary  orbits.  Our  interest  here  focuses  particularly  on  the  inner  four  terrestrial  planets  for  which  the  orbital  time-scales  are  much  shorter  than  those  of  the  outer  five  planets.  As  we  can  see  clearly  from  the  planar  orbital  configurations  shown  in  Figs  2  and  3,  orbital  positions  of  the  terrestrial  planets  differ  little  between  the  initial  and  final  part  of  each  numerical  integration,  which  spans  several  Gyr.  The  solid  lines  denoting  the  present  orbits  of  the  planets  lie  almost  within  the  swarm  of  dots  even  in  the  final  part  of  integrations  (b)  and  (d).  This  indicates  that  throughout  the  entire  integration  period  the  almost  regular  variations  of  planetary  orbital  motion  remain  nearly  the  same  as  they  are  at  present.

  Vertical  view  of  the  four  inner  planetary  orbits  (from  the  z  -axis  direction)  at  the  initial  and  final  parts  of  the  integrationsN±1.  The  axes  units  are  au.  The  xy  -plane  is  set  to  the  invariant  plane  of  Solar  system  total  angular  momentum.(a)  The  initial  part  ofN+1  (  t  =  0  to  0.0547  ×  10  9  yr).(b)  The  final  part  ofN+1  (  t  =  4.9339  ×  10  8  to  4.9886  ×  10  9  yr).(c)  The  initial  part  of  N−1  (t=  0  to  −0.0547  ×  109  yr).(d)  The  final  part  ofN−1  (  t  =−3.9180  ×  10  9  to  −3.9727  ×  10  9  yr).  In  each  panel,  a  total  of  23  684  points  are  plotted  with  an  interval  of  about  2190  yr  over  5.47  ×  107  yr  .  Solid  lines  in  each  panel  denote  the  present  orbits  of  the  four  terrestrial  planets  (taken  from  DE245).

  The  variation  of  eccentricities  and  orbital  inclinations  for  the  inner  four  planets  in  the  initial  and  final  part  of  the  integration  N+1  is  shown  in  Fig.  4.  As  expected,  the  character  of  the  variation  of  planetary  orbital  elements  does  not  differ  significantly  between  the  initial  and  final  part  of  each  integration,  at  least  for  Venus,  Earth  and  Mars.  The  elements  of  Mercury,  especially  its  eccentricity,  seem  to  change  to  a  significant  extent.  This  is  partly  because  the  orbital  time-scale  of  the  planet  is  the  shortest  of  all  the  planets,  which  leads  to  a  more  rapid  orbital  evolution  than  other  planets;  the  innermost  planet  may  be  nearest  to  instability.  This  result  appears  to  be  in  some  agreement  with  Laskar's  (1994,  1996)  expectations  that  large  and  irregular  variations  appear  in  the  eccentricities  and  inclinations  of  Mercury  on  a  time-scale  of  several  109  yr.  However,  the  effect  of  the  possible  instability  of  the  orbit  of  Mercury  may  not  fatally  affect  the  global  stability  of  the  whole  planetary  system  owing  to  the  small  mass  of  Mercury.  We  will  mention  briefly  the  long-term  orbital  evolution  of  Mercury  later  in  Section  4  using  low-pass  filtered  orbital  elements.

  The  orbital  motion  of  the  outer  five  planets  seems  rigorously  stable  and  quite  regular  over  this  time-span  (see  also  Section  5).

  3.2  Time–frequency  maps

  Although  the  planetary  motion  exhibits  very  long-term  stability  defined  as  the  non-existence  of  close  encounter  events,  the  chaotic  nature  of  planetary  dynamics  can  change  the  oscillatory  period  and  amplitude  of  planetary  orbital  motion  gradually  over  such  long  time-spans.  Even  such  slight  fluctuations  of  orbital  variation  in  the  frequency  domain,  particularly  in  the  case  of  Earth,  can  potentially  have  a  significant  effect  on  its  surface  climate  system  through  solar  insolation  variation  (cf.  Berger  1988).

  To  give  an  overview  of  the  long-term  change  in  periodicity  in  planetary  orbital  motion,  we  performed  many  fast  Fourier  transformations  (FFTs)  along  the  time  axis,  and  superposed  the  resulting  periodgrams  to  draw  two-dimensional  time–frequency  maps.  The  specific  approach  to  drawing  these  time–frequency  maps  in  this  paper  is  very  simple  –  much  simpler  than  the  wavelet  analysis  or  Laskar's  (1990,  1993)  frequency  analysis.

  Divide  the  low-pass  filtered  orbital  data  into  many  fragments  of  the  same  length.  The  length  of  each  data  segment  should  be  a  multiple  of  2  in  order  to  apply  the  FFT.

  Each  fragment  of  the  data  has  a  large  overlapping  part:  for  example,  when  the  ith  data  begins  from  t=ti  and  ends  at  t=ti+T,  the  next  data  segment  ranges  from  ti+δT≤ti+δT+T,  where  δT?T.  We  continue  this  division  until  we  reach  a  certain  number  N  by  which  tn+T  reaches  the  total  integration  length.

  We  apply  an  FFT  to  each  of  the  data  fragments,  and  obtain  n  frequency  diagrams.

  In  each  frequency  diagram  obtained  above,  the  strength  of  periodicity  can  be  replaced  by  a  grey-scale  (or  colour)  chart.

  We  perform  the  replacement,  and  connect  all  the  grey-scale  (or  colour)  charts  into  one  graph  for  each  integration.  The  horizontal  axis  of  these  new  graphs  should  be  the  time,  i.e.  the  starting  times  of  each  fragment  of  data  (ti,  where  i=  1,…,  n).  The  vertical  axis  represents  the  period  (or  frequency)  of  the  oscillation  of  orbital  elements.

  We  have  adopted  an  FFT  because  of  its  overwhelming  speed,  since  the  amount  of  numerical  data  to  be  decomposed  into  frequency  components  is  terribly  huge  (several  tens  of  Gbytes).

  A  typical  example  of  the  time–frequency  map  created  by  the  above  procedures  is  shown  in  a  grey-scale  diagram  as  Fig.  5,  which  shows  the  variation  of  periodicity  in  the  eccentricity  and  inclination  of  Earth  in  N+2  integration.  In  Fig.  5,  the  dark  area  shows  that  at  the  time  indicated  by  the  value  on  the  abscissa,  the  periodicity  indicated  by  the  ordinate  is  stronger  than  in  the  lighter  area  around  it.  We  can  recognize  from  this  map  that  the  periodicity  of  the  eccentricity  and  inclination  of  Earth  only  changes  slightly  over  the  entire  period  covered  by  the  N+2  integration.  This  nearly  regular  trend  is  qualitatively  the  same  in  other  integrations  and  for  other  planets,  although  typical  frequencies  differ  planet  by  planet  and  element  by  element.

  4.2  Long-term  exchange  of  orbital  energy  and  angular  momentum

  We  calculate  very  long-periodic  variation  and  exchange  of  planetary  orbital  energy  and  angular  momentum  using  filtered  Delaunay  elements  L,  G,  H.  G  and  H  are  equivalent  to  the  planetary  orbital  angular  momentum  and  its  vertical  component  per  unit  mass.  L  is  related  to  the  planetary  orbital  energy  E  per  unit  mass  as  E=−μ2/2L2.  If  the  system  is  completely  linear,  the  orbital  energy  and  the  angular  momentum  in  each  frequency  bin  must  be  constant.  Non-linearity  in  the  planetary  system  can  cause  an  exchange  of  energy  and  angular  momentum  in  the  frequency  domain.  The  amplitude  of  the  lowest-frequency  oscillation  should  increase  if  the  system  is  unstable  and  breaks  down  gradually.  However,  such  a  symptom  of  instability  is  not  prominent  in  our  long-term  integrations.

  In  Fig.  7,  the  total  orbital  energy  and  angular  momentum  of  the  four  inner  planets  and  all  nine  planets  are  shown  for  integration  N+2.  The  upper  three  panels  show  the  long-periodic  variation  of  total  energy  (denoted  asE-  E0),  total  angular  momentum  (  G-  G0),  and  the  vertical  component  (  H-  H0)  of  the  inner  four  planets  calculated  from  the  low-pass  filtered  Delaunay  elements.E0,  G0,  H0  denote  the  initial  values  of  each  quantity.  The  absolute  difference  from  the  initial  values  is  plotted  in  the  panels.  The  lower  three  panels  in  each  figure  showE-E0,G-G0  andH-H0  of  the  total  of  nine  planets.  The  fluctuation  shown  in  the  lower  panels  is  virtually  entirely  a  result  of  the  massive  jovian  planets.

  Comparing  the  variations  of  energy  and  angular  momentum  of  the  inner  four  planets  and  all  nine  planets,  it  is  apparent  that  the  amplitudes  of  those  of  the  inner  planets  are  much  smaller  than  those  of  all  nine  planets:  the  amplitudes  of  the  outer  five  planets  are  much  larger  than  those  of  the  inner  planets.  This  does  not  mean  that  the  inner  terrestrial  planetary  subsystem  is  more  stable  than  the  outer  one:  this  is  simply  a  result  of  the  relative  smallness  of  the  masses  of  the  four  terrestrial  planets  compared  with  those  of  the  outer  jovian  planets.  Another  thing  we  notice  is  that  the  inner  planetary  subsystem  may  become  unstable  more  rapidly  than  the  outer  one  because  of  its  shorter  orbital  time-scales.  This  can  be  seen  in  the  panels  denoted  asinner  4  in  Fig.  7  where  the  longer-periodic  and  irregular  oscillations  are  more  apparent  than  in  the  panels  denoted  astotal  9.  Actually,  the  fluctuations  in  theinner  4  panels  are  to  a  large  extent  as  a  result  of  the  orbital  variation  of  the  Mercury.  However,  we  cannot  neglect  the  contribution  from  other  terrestrial  planets,  as  we  will  see  in  subsequent  sections.

  4.4  Long-term  coupling  of  several  neighbouring  planet  pairs

  Let  us  see  some  individual  variations  of  planetary  orbital  energy  and  angular  momentum  expressed  by  the  low-pass  filtered  Delaunay  elements.  Figs  10  and  11  show  long-term  evolution  of  the  orbital  energy  of  each  planet  and  the  angular  momentum  in  N+1  and  N−2  integrations.  We  notice  that  some  planets  form  apparent  pairs  in  terms  of  orbital  energy  and  angular  momentum  exchange.  In  particular,  Venus  and  Earth  make  a  typical  pair.  In  the  figures,  they  show  negative  correlations  in  exchange  of  energy  and  positive  correlations  in  exchange  of  angular  momentum.  The  negative  correlation  in  exchange  of  orbital  energy  means  that  the  two  planets  form  a  closed  dynamical  system  in  terms  of  the  orbital  energy.  The  positive  correlation  in  exchange  of  angular  momentum  means  that  the  two  planets  are  simultaneously  under  certain  long-term  perturbations.  Candidates  for  perturbers  are  Jupiter  and  Saturn.  Also  in  Fig.  11,  we  can  see  that  Mars  shows  a  positive  correlation  in  the  angular  momentum  variation  to  the  Venus–Earth  system.  Mercury  exhibits  certain  negative  correlations  in  the  angular  momentum  versus  the  Venus–Earth  system,  which  seems  to  be  a  reaction  caused  by  the  conservation  of  angular  momentum  in  the  terrestrial  planetary  subsystem.

  It  is  not  clear  at  the  moment  why  the  Venus–Earth  pair  exhibits  a  negative  correlation  in  energy  exchange  and  a  positive  correlation  in  angular  momentum  exchange.  We  may  possibly  explain  this  through  observing  the  general  fact  that  there  are  no  secular  terms  in  planetary  semimajor  axes  up  to  second-order  perturbation  theories  (cf.  Brouwer  &  Clemence  1961;  Boccaletti  &  Pucacco  1998).  This  means  that  the  planetary  orbital  energy  (which  is  directly  related  to  the  semimajor  axis  a)  might  be  much  less  affected  by  perturbing  planets  than  is  the  angular  momentum  exchange  (which  relates  to  e).  Hence,  the  eccentricities  of  Venus  and  Earth  can  be  disturbed  easily  by  Jupiter  and  Saturn,  which  results  in  a  positive  correlation  in  the  angular  momentum  exchange.  On  the  other  hand,  the  semimajor  axes  of  Venus  and  Earth  are  less  likely  to  be  disturbed  by  the  jovian  planets.  Thus  the  energy  exchange  may  be  limited  only  within  the  Venus–Earth  pair,  which  results  in  a  negative  correlation  in  the  exchange  of  orbital  energy  in  the  pair.

  As  for  the  outer  jovian  planetary  subsystem,  Jupiter–Saturn  and  Uranus–Neptune  seem  to  make  dynamical  pairs.  However,  the  strength  of  their  coupling  is  not  as  strong  compared  with  that  of  the  Venus–Earth  pair.

  5  ±  5  ×  1010-yr  integrations  of  outer  planetary  orbits

  Since  the  jovian  planetary  masses  are  much  larger  than  the  terrestrial  planetary  masses,  we  treat  the  jovian  planetary  system  as  an  independent  planetary  system  in  terms  of  the  study  of  its  dynamical  stability.  Hence,  we  added  a  couple  of  trial  integrations  that  span  ±  5  ×  1010  yr,  including  only  the  outer  five  planets  (the  four  jovian  planets  plus  Pluto).  The  results  exhibit  the  rigorous  stability  of  the  outer  planetary  system  over  this  long  time-span.  Orbital  configurations  (Fig.  12),  and  variation  of  eccentricities  and  inclinations  (Fig.  13)  show  this  very  long-term  stability  of  the  outer  five  planets  in  both  the  time  and  the  frequency  domains.  Although  we  do  not  show  maps  here,  the  typical  frequency  of  the  orbital  oscillation  of  Pluto  and  the  other  outer  planets  is  almost  constant  during  these  very  long-term  integration  periods,  which  is  demonstrated  in  the  time–frequency  maps  on  our  webpage.

  In  these  two  integrations,  the  relative  numerical  error  in  the  total  energy  was  ∼10−6  and  that  of  the  total  angular  momentum  was  ∼10−10.

  5.1  Resonances  in  the  Neptune–Pluto  system

  Kinoshita  &  Nakai  (1996)  integrated  the  outer  five  planetary  orbits  over  ±  5.5  ×  109  yr  .  They  found  that  four  major  resonances  between  Neptune  and  Pluto  are  maintained  during  the  whole  integration  period,  and  that  the  resonances  may  be  the  main  causes  of  the  stability  of  the  orbit  of  Pluto.  The  major  four  resonances  found  in  previous  research  are  as  follows.  In  the  following  description,λ  denotes  the  mean  longitude,Ω  is  the  longitude  of  the  ascending  node  and  ϖ  is  the  longitude  of  perihelion.  Subscripts  P  and  N  denote  Pluto  and  Neptune.

  Mean  motion  resonance  between  Neptune  and  Pluto  (3:2).  The  critical  argument  θ1=  3  λP−  2  λN−ϖP  librates  around  180°  with  an  amplitude  of  about  80°  and  a  libration  period  of  about  2  ×  104  yr.

  The  argument  of  perihelion  of  Pluto  ωP=θ2=ϖP−ΩP  librates  around  90°  with  a  period  of  about  3.8  ×  106  yr.  The  dominant  periodic  variations  of  the  eccentricity  and  inclination  of  Pluto  are  synchronized  with  the  libration  of  its  argument  of  perihelion.  This  is  anticipated  in  the  secular  perturbation  theory  constructed  by  Kozai  (1962).

  The  longitude  of  the  node  of  Pluto  referred  to  the  longitude  of  the  node  of  Neptune,θ3=ΩP−ΩN,  circulates  and  the  period  of  this  circulation  is  equal  to  the  period  of  θ2  libration.  When  θ3  becomes  zero,  i.e.  the  longitudes  of  ascending  nodes  of  Neptune  and  Pluto  overlap,  the  inclination  of  Pluto  becomes  maximum,  the  eccentricity  becomes  minimum  and  the  argument  of  perihelion  becomes  90°.  When  θ3  becomes  180°,  the  inclination  of  Pluto  becomes  minimum,  the  eccentricity  becomes  maximum  and  the  argument  of  perihelion  becomes  90°  again.  Williams  &  Benson  (1971)  anticipated  this  type  of  resonance,  later  confirmed  by  Milani,  Nobili  &  Carpino  (1989).

  An  argument  θ4=ϖP−ϖN+  3  (ΩP−ΩN)  librates  around  180°  with  a  long  period,∼  5.7  ×  108  yr.

  In  our  numerical  integrations,  the  resonances  (i)–(iii)  are  well  maintained,  and  variation  of  the  critical  arguments  θ1,θ2,θ3  remain  similar  during  the  whole  integration  period  (Figs  14–16  ).  However,  the  fourth  resonance  (iv)  appears  to  be  different:  the  critical  argument  θ4  alternates  libration  and  circulation  over  a  1010-yr  time-scale  (Fig.  17).  This  is  an  interesting  fact  that  Kinoshita  &  Nakai's  (1995,  1996)  shorter  integrations  were  not  able  to  disclose.

  6  Discussion

  What  kind  of  dynamical  mechanism  maintains  this  long-term  stability  of  the  planetary  system?  We  can  immediately  think  of  two  major  features  that  may  be  responsible  for  the  long-term  stability.  First,  there  seem  to  be  no  significant  lower-order  resonances  (mean  motion  and  secular)  between  any  pair  among  the  nine  planets.  Jupiter  and  Saturn  are  close  to  a  5:2  mean  motion  resonance  (the  famous  ‘great  inequality’),  but  not  just  in  the  resonance  zone.  Higher-order  resonances  may  cause  the  chaotic  nature  of  the  planetary  dynamical  motion,  but  they  are  not  so  strong  as  to  destroy  the  stable  planetary  motion  within  the  lifetime  of  the  real  Solar  system.  The  second  feature,  which  we  think  is  more  important  for  the  long-term  stability  of  our  planetary  system,  is  the  difference  in  dynamical  distance  between  terrestrial  and  jovian  planetary  subsystems  (Ito  &  Tanikawa  1999,  2001).  When  we  measure  planetary  separations  by  the  mutual  Hill  radii  (R_),  separations  among  terrestrial  planets  are  greater  than  26RH,  whereas  those  among  jovian  planets  are  less  than  14RH.  This  difference  is  directly  related  to  the  difference  between  dynamical  features  of  terrestrial  and  jovian  planets.  Terrestrial  planets  have  smaller  masses,  shorter  orbital  periods  and  wider  dynamical  separation.  They  are  strongly  perturbed  by  jovian  planets  that  have  larger  masses,  longer  orbital  periods  and  narrower  dynamical  separation.  Jovian  planets  are  not  perturbed  by  any  other  massive  bodies.

  The  present  terrestrial  planetary  system  is  still  being  disturbed  by  the  massive  jovian  planets.  However,  the  wide  separation  and  mutual  interaction  among  the  terrestrial  planets  renders  the  disturbance  ineffective;  the  degree  of  disturbance  by  jovian  planets  is  O(eJ)(order  of  magnitude  of  the  eccentricity  of  Jupiter),  since  the  disturbance  caused  by  jovian  planets  is  a  forced  oscillation  having  an  amplitude  of  O(eJ).  Heightening  of  eccentricity,  for  example  O(eJ)∼0.05,  is  far  from  sufficient  to  provoke  instability  in  the  terrestrial  planets  having  such  a  wide  separation  as  26RH.  Thus  we  assume  that  the  present  wide  dynamical  separation  among  terrestrial  planets  (>  26RH)  is  probably  one  of  the  most  significant  conditions  for  maintaining  the  stability  of  the  planetary  system  over  a  109-yr  time-span.  Our  detailed  analysis  of  the  relationship  between  dynamical  distance  between  planets  and  the  instability  time-scale  of  Solar  system  planetary  motion  is  now  on-going.

  Although  our  numerical  integrations  span  the  lifetime  of  the  Solar  system,  the  number  of  integrations  is  far  from  sufficient  to  fill  the  initial  phase  space.  It  is  necessary  to  perform  more  and  more  numerical  integrations  to  confirm  and  examine  in  detail  the  long-term  stability  of  our  planetary  dynamics.

  ——以上文段引自  Ito,  T.&  Tanikawa,  K.  Long-term  integrations  and  stability  of  planetary  orbits  in  our  Solar  System.  Mon.  Not.  R.  Astron.  Soc.  336,  483–500  (2002)

  这只是作者君参考的一篇文章,关于太阳系的稳定性。

  还有其他论文,不过也都是英文的,相关课题的中文文献很少,那些论文下载一篇要九美元(《Nature》真是暴利),作者君写这篇文章的时候已经回家,不在检测中心,所以没有数据库的使用权,下不起,就不贴上来了。

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