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Sandbox Physics
从盘力矩读到真实行星测时

L3 · 行星与盘动力学

共振捕获,要看角度怎样走

接近二比一的周期比很容易产生,也容易误读。更有力的检验,是看每次会合相对于两条轨道近心点发生在哪里。本章从实际积分的位置与速度构造这个检验。

保留完整引力问题

恒星与两颗有限质量行星在惯性系中运动,每一对都使用不软化的平方反比引力。内行星初始半长轴为一天文单位,外行星质量是它两倍,初始偏心率都为零点零零一。近心点经度分别取零点二和一点二弧度,平近点角取零和二弧度。

有限行星质量也进入两体频率。外行星初始半长轴按下式保留有限质量修正。构造日心轨道根数以后,再把全部天体的位置和速度移到质心原点。

a2,0=a1,0[R02M⋆+m2M⋆+m1]1/3a_{2,0}=a_{1,0}\left[R_0^2\frac{M_\star+m_2}{M_\star+m_1}\right]^{1/3}
这固定了声明的初始瞬时周期比。后续相互作用下,它会振荡。

对应阅读:REBOUND 5.2.2 and IAS15 · Izidoro et al.

把外加盘加速度写出来

每一时刻先由日心位置与速度计算瞬时轨道根数,再取当地波与共转力矩。迁移加速度平行于相对速度,其系数选到恰好给出关于恒星的指定力矩;另加一项径向偏心率阻尼。

径向项关于恒星没有力矩,相对做功率不为正。偏心轨道上,平行速度项同时改变半长轴、能量和偏心率。这是明确的外力处方,不是流体求解。

ad=Γmℓv−2(r⋅v)r2τer,ℓ=(r×v)z\boldsymbol a_d=\frac{\Gamma}{m\ell}\boldsymbol v-\frac{2(\boldsymbol r\cdot\boldsymbol v)}{r^2\tau_e}\boldsymbol r,\qquad \ell=(\boldsymbol r\times\boldsymbol v)_z
相对位置和速度以恒星为原点。正力矩增加顺行角动量。
τwave=h4q(Σa2/M⋆)Ω,τe=τwave0.780[1−0.14(e/h)2+0.06(e/h)3]\tau_{\rm wave}=\frac{h^4}{q(\Sigma a^2/M_\star)\Omega},\quad \tau_e=\frac{\tau_{\rm wave}}{0.780}\left[1-0.14(e/h)^2+0.06(e/h)^3\right]
共面阻尼律只在声明的偏心率边界内使用。

对应阅读:Cresswell & Nelson · Izidoro et al.

偏心率削弱项,先查符号

偏心运动会削弱连贯的马蹄响应。这里依 Fendyke 与 Nelson 原始研究,把圆轨道共转项乘以下方负指数。Izidoro 等式9虽描述衰减,却印了正指数;代码依原研究取衰减号。

波项另用 Cresswell–Nelson 偏心率修正。偏心率超过当地盘厚比的零点七倍时停止,不外推到高偏心率公式的变号区。还在半长轴超出零点三五至三天文单位、大于零点二热质量、Toomre 参数低于二十或接近三个互希尔半径时停止。

ΓC(e)=ΓC(0)exp⁡[−e/(0.5h+0.01)]\Gamma_C(e)=\Gamma_C(0)\exp[-e/(0.5h+0.01)]
指数为负,偏心率增大时,此项逐渐减弱。
fL(e)=1−[e/(2.02h)]41+[e/(2.25h)]1.2+[e/(2.84h)]6,ΓL(e)=fL(e)ΓL(0)f_L(e)=\frac{1-[e/(2.02h)]^4}{1+[e/(2.25h)]^{1.2}+[e/(2.84h)]^6},\qquad \Gamma_L(e)=f_L(e)\Gamma_L(0)
这里只使用正文声明的小偏心率范围,形式上的高偏心率转折在本实验之外。

对应阅读:Fendyke & Nelson · Izidoro et al. · Cresswell & Nelson

盘是能量与角动量的交换库

静态盘处于三体系统之外。盘力施加给行星,没有偷偷给恒星补一项等大反向加速度。三体系统的能量、角动量和线动量都可以改变。

能量核验要包含恒星在内的全部惯性速度,以及三对引力势,再扣除时间积分的盘做功。角动量核验也要使用惯性位置和外力矩;若只用日心力矩,就漏掉了移动原点的贡献。

dEsysdt=∑imivi,inertial⋅ad,i,dLz,sysdt=∑imi(ri,inertial×ad,i)z\frac{dE_{\rm sys}}{dt}=\sum_i m_i\boldsymbol v_{i,\rm inertial}\cdot\boldsymbol a_{d,i},\qquad \frac{dL_{z,\rm sys}}{dt}=\sum_i m_i(\boldsymbol r_{i,\rm inertial}\times\boldsymbol a_{d,i})_z
数值检验检查扣除这些交换后的残差;无盘极限中外加交换应消失。

对应阅读:REBOUND 5.2.2 and IAS15 · Cresswell & Nelson

追踪每一次踢动的相位

平经度记录绕行相位,近心点经度定位椭圆长轴。接近二比一时,把它们组合成两个临界角。只看周期比,会丢掉决定重复会合能否连贯作用的相位信息。

先按足够细的物理间隔展开角度,再丢弃样本以缩小图表。否则两帧间恰好绕了整数圈,会被误看成不动。固定记录每半个初始内行星周期追踪一次相位,默认与更晚案例另用更细间隔比较。偏心率很小时近心点病态,图改为模一圈样本,不给捕获结论。

θ1=2λ2−λ1−ϖ1,θ2=2λ2−λ1−ϖ2\theta_1=2\lambda_2-\lambda_1-\varpi_1,\qquad\theta_2=2\lambda_2-\lambda_1-\varpi_2
有限范围内来回是天平动,不断完整绕行是循环。有限记录只支持有限窗的诊断。

对应阅读:Mills et al. · Izidoro et al.

不打开 Lab,也能读出默认结果

默认盘与四地球质量外行星的一万二千周期记录,后半窗临界角宽度约十七点五度与十八点六度,两者都在该范围内反复转向。这里称它为注明窗口内的暂时捕获。

相同初态与物理参数延长至五万周期,两角不再有界;后半窗各绕约二十七圈。这是模型中离开的证据,却不是已经验证的逃逸机制。若要确定某种过稳定性或共振重叠,还需进一步受控实验。

结束时刻(初始内行星周期)内半长轴(AU)外半长轴(AU)周期比
120000.9712541.5422512.000930
500000.8732171.3866602.001106

对应阅读:REBOUND 5.2.2 and IAS15 · Izidoro et al.

数值一致,不等于模型无缺

固定预设使用 REBOUND 5.2.2 IAS15,精度参数为十的负十次方;自定义浏览器运行用 DOP853,相对容差为二乘十的负十一次方,分量绝对尺度为十的负十四次方。独立短轨道比较不只检查半长轴,也检查相位。

公开材料保存实际容差与收敛结果。即使外加二维力矩方程解得准确,也可能遗漏真实气体盘的物理。合成双行星与实测诊断各自保留自己的初始条件和科学用途。

对应阅读:REBOUND 5.2.2 and IAS15 · Ziampras

亲手观察

把一次暂时捕获与它的未来比较

  1. 读默认角图的后半窗。
  2. 选择更晚预设,确认参数相同而时间轴延长。
  3. 指出哪些图像证据支持离开,哪些机制解释尚未检验。

练习与答案

周期比接近二,两个展开角却绕了很多圈,能得出什么?

周期比本身不能证明默认例子中那种双角天平动。进一步分类前先查采样与近心点条件;一角绕行也不能排除一切可能的共振状态。

无盘能量检验通过,加盘后却漂移,还缺什么收支?

用惯性速度积分盘做功,用惯性位置积分外力矩,再从全系统变化中扣除。盘不属于三体守恒能量的一部分,单颗行星的日心核验不够。

来源与计算范围

  1. Cresswell & Nelson, arXiv:0811.4322v1 (2008)

    偏心率阻尼、迁移时间与小偏心率波时间处方;这里只用共面极限,并限制偏心率小于盘厚比的零点七倍。

  2. Fendyke & Nelson, arXiv:1310.0351v1 (2013; MNRAS 2014)

    共转力矩随偏心率减弱的指数拟合,指数为负。这里依其原始研究取负号,并标出 Izidoro 等式9所印正号的差别。

  3. Mills et al., arXiv:1612.07376v1, Nature 533, 509 (2016)

    Methods 中的测时与拉普拉斯角重建,扩展数据表1(PDF第30页)及图3(第35页)。教程冻结全部44个季度测时值及原线性星历。

  4. Izidoro et al., arXiv:1703.03634v2 (24 May 2017)

    第2.2至2.3、5.2、6.1、8节,图7、14。研究把迁移、共振链与后续失稳联系起来;本页两行星演示不复现其总体分布。

  5. Ziampras, Nelson & Paardekooper, arXiv:2406.08555v1 (12 June 2024)

    第2.2至2.3、3、4.2至4.4、5节,图3至7,附录A。三维辐射流体计算检验浮力所致动力学力矩;这些物理不在本实验的静态二维拟合内。

  6. REBOUND 5.2.2 and IAS15

    IAS15 参考积分,精度参数为十的负十次方。可选生成脚本固定 REBOUND 5.2.2,公开教程不复制该包代码。

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