“太阳系动力学”中让-玛丽·苏里奥的工作

这项工作由作者于1989年在日内瓦天文台举行的会议上提出,会议主题是:
“太阳系中的共振与非共振”
苏里奥的出发点是对不同行星轨道周期的分析。他选择了地球的周期:365天和金星的周期:225天,并分别计算了相应的斐波那契数列(或类似斐波那契数列,其中每个项都是前两项之和)。众所周知,在这种情况下,该数列中两个连续数的比值趋近于黄金分割数。
苏里奥得到的结果如下:
30
太阳
(29天)
55
无
85
水星
(88天)
140
无
225
金星 365
地球
590(1年7个月)
火星
(1年10个月)
955
无
1545(4年3个月)
谷神星-智神星
(小行星带)
2500
无
4045(11年)
木星
(11年10个月)
6545
无
10590(29年)
土星
(29年5个月)
17135
无
27725(76年)
天王星
(84年)
44860
无
72585(199年)
海王星
(165年),冥王星(248年)
相当令人惊讶的巧合,我们承认这一点。苏里奥随后研究了行星之间的共振。为此,需要一个测试来衡量两个周期的比值x(在0到1之间)是否“接近”一个不可约分数:
很久以前,数学家(Liouville,Hurwitz,Borel等)就开发了这样的测试。它涉及的数是:
q
(x, q) = (分母)
2 x I
x - q
I
用
q
(x)表示当
q
遍历所有有理数时的下限,
q
为0,如果x是有理数,如果x接近有理数,则很小;因此它衡量了x的无理性。那么“最无理”的数就是黄金分割数:
及其平方:
w 2
= 1 -
w
= 0.3820...
可以在图中看到该函数
q
的图示。
图1:函数
q
的图示,其两个峰值对应于“最不共振”的数:黄金分割数及其平方。
这个函数
q
(与观测数据无关)是一个纯粹的“数学对象”,是实数序列的一个属性。这个连续序列随后分泌出这种奇特的光谱,其中充满了类似空隙(即整数比,有理数的位置,此时
q
= 0)。
以下是太阳系主要行星的公转周期(以年为单位):
水星:0.2408425
金星:0.6151866
地球:1.0000000
火星:1.8808155
谷神星-智神星:4.604
木星:11.86178
土星:29.45665
天王星:84.0189
海王星:164.765
冥王星:247.68
请注意,冥王星和海王星周期的比值是:
这些项中的一项与下一项的比值始终在1/3到2/3之间。这九个比值中有五个在0.35到0.40之间。苏里奥于是开始研究不同行星周期之间的比值。两颗行星如果处于完美的共振状态,其周期的比值将是某个有理数,即两个整数的商。
苏里奥决定分析当前太阳系中的各种共振。为此,他取主要行星的周期两两之间的比值,并应用了上述测试。
一个简单的计算使他列出了大行星之间的共振(谷神星和智神星是“小行星”中最大的,它们的周期仅相差3天,位于小行星带),其中测试
q
小于0.1(分母?6):
海王星-冥王星:x = 2/3 × 0.9980
q
= 0.01
天王星-海王星:x = 1/2 × 1.0199
q
= 0.04
天王星-冥王星:x = 1/3 × 1.0176
q
= 0.05
金星-火星:x = 1/3 × 0.9812
q
= 0.06
木星-土星:x = 2/5 × 1.0067
q
= 0.07
这张表显示,最远的两颗行星,海王星和冥王星,表现出特别明显的共振。因此,它们与其他行星不同,苏里奥决定在接下来的分析中忽略它们,进行傅里叶分析周期:
Pj 是从水星到天王星的行星周期。连续周期的比值在1/3到2/3之间。下图显示了当a在1/3到2/3之间变化时,IF(a)I的形状。为了更清晰,苏里奥在图上标出了IF(a)I的值4。
图2:函数F(a)
在0.615和0.380处出现了两个显著的峰值,与图1中的峰值精确吻合(w = 0.618和w² = 0.380)。苏里奥于是将这个频谱与函数q叠加:
图3。
并得出结论:除了海王星-冥王星这一对共振外,整体上存在非共振效应。两个峰值之间F的相位差可以通过逆傅里叶变换来解释:从频谱F中选择一定数量的ak线,构造函数F:
此时Pj的值接近F实部的一些最大值。苏里奥将这个频谱限制在两条线a1 = w和a2 = w²上,并得到了下图所示的曲线,同时标出了行星的实际周期。
图4:从由两条线w和w²构建的频谱中得出的行星可能位置P