Simuleringer forklarer gigantiske exoplaneter med excentriske, tætte baner

Efterhånden som planetsystemer udvikler sig, gravitationsinteraktioner mellem planeter kan kaste nogle af dem ind i excentriske elliptiske baner omkring værtsstjernen, eller endda helt ude af systemet. Mindre planeter burde være mere modtagelige for denne gravitationsspredning, alligevel er mange gasgigantiske exoplaneter blevet observeret med excentriske baner, der er meget forskellige fra planeternes nogenlunde cirkulære baner i vores eget solsystem.

Overraskende nok, planeterne med de højeste masser har tendens til at være dem med de højeste excentriciteter, selvom inertien af ​​en større masse burde gøre det sværere at rokke sig fra dens oprindelige bane. Denne kontraintuitive observation fik astronomer ved UC Santa Cruz til at udforske udviklingen af ​​planetsystemer ved hjælp af computersimuleringer. Deres resultater, rapporteret i et blad offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve , foreslå en afgørende rolle for en gigantisk indvirkningsfase i udviklingen af ​​planetariske systemer med høj masse, fører til kollisionsvækst af flere gigantiske planeter med tætte baner.

"En kæmpe planet spredes ikke så let ind i en excentrisk bane som en mindre planet, men hvis der er flere gigantiske planeter tæt på værtsstjernen, deres gravitationsinteraktioner er mere sandsynligt, at de spreder dem i excentriske baner, " forklarede førsteforfatter Renata Frelikh, en kandidatstuderende i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz.

Frelikh udførte hundredvis af simuleringer af planetsystemer, starter hver enkelt med 10 planeter i cirkulære baner og varierer den indledende samlede masse af systemet og masserne af individuelle planeter. Da systemerne udviklede sig i 20 millioner simulerede år, dynamiske ustabiliteter førte til kollisioner og fusioner for at danne større planeter samt gravitationsinteraktioner, der skød nogle planeter ud og spredte andre i excentriske baner.

Ved at analysere resultaterne af disse simuleringer samlet, forskerne fandt ud af, at planetsystemerne med den største indledende samlede masse producerede de største planeter og planeterne med de højeste excentriciteter.

"Vores model forklarer naturligvis den kontraintuitive sammenhæng mellem masse og excentricitet, " sagde Frelikh.

Medforfatter Ruth Murray-Clay, Gunderson professor i teoretisk astrofysik ved UC Santa Cruz, sagde, at den eneste ikke-standardmæssige antagelse i deres model er, at der kan være flere gasgigantiske planeter i den indre del af et planetsystem. "Hvis du gør den antagelse, al anden adfærd følger, " hun sagde.

Ifølge den klassiske model for planetdannelse, baseret på vores eget solsystem, der er ikke nok materiale i den indre del af den protoplanetariske skive omkring en stjerne til at lave gasgigantiske planeter, så der dannes kun små klippeplaneter i den indre del af systemet og gigantiske planeter længere ude. Alligevel har astronomer opdaget mange gasgiganter, der kredser tæt på deres værtsstjerner. Fordi de er relativt nemme at opdage, disse "varme Jupiters" tegnede sig for størstedelen af ​​de tidlige opdagelser af exoplaneter, men de kan være et usædvanligt resultat af planetdannelse.

"Dette kan være en usædvanlig proces, " sagde Murray-Clay. "Vi foreslår, at det er mere sandsynligt, at det sker, når den oprindelige masse i disken er høj, og at gigantiske planeter med høj masse produceres i en fase med gigantiske nedslag."

Denne kæmpe-påvirkningsfase er analog med den sidste fase i samlingen af ​​vores eget solsystem, da månen blev dannet i kølvandet på en kollision mellem Jorden og en anden planet. "På grund af vores solsystem skævhed, vi er tilbøjelige til at tænke på, at påvirkninger sker på klippeplaneter og udslyngning som på kæmpeplaneter, men der er et helt spektrum af mulige udfald i udviklingen af ​​planetsystemer, " sagde Murray-Clay.

Ifølge Frelikh, kollisionsvækst af gigantiske planeter med høj masse burde være mest effektiv i de indre regioner, fordi møder mellem planeter i de ydre dele af systemet er mere tilbøjelige til at føre til udstødninger end fusioner. Fusioner, der producerer planeter med høj masse, bør toppe i en afstand fra værtsstjernen på omkring 3 astronomiske enheder (AU, afstanden fra jorden til solen), hun sagde.

"Vi forudser, at de gigantiske planeter med den højeste masse vil blive produceret ved fusioner af mindre gasgiganter mellem 1 og 8 AU fra deres værtsstjerner, " sagde Frelikh. "Exoplanetundersøgelser har opdaget nogle ekstremt store exoplaneter, nærmer sig 20 gange Jupiters masse. Det kan tage mange kollisioner at producere dem, så det er interessant, at vi ser denne gigantiske indvirkningsfase i vores simuleringer."