Симуляции объясняют гигантские экзопланеты с эксцентричными близкими орбитами

Симуляции объясняют гигантские экзопланеты с эксцентричными близкими орбитами

По мере развития планетных систем гравитационные взаимодействия между планетами могут отбрасывать некоторые из них на эксцентричные эллиптические орбиты вокруг звезды-хозяина или даже из системы в целом. Небольшие планеты должны быть более восприимчивы к этому гравитационному рассеянию, однако многие экзопланеты газовых гигантов наблюдались с эксцентричными орбитами, очень отличающимися от примерно круговых орбит планет в нашей собственной солнечной системе.

Удивительно, но планеты с наивысшими массами, как правило, являются планетами с наивысшими эксцентриситетами, даже несмотря на то, что инерция большей массы должна усложнять движение с начальной орбиты. Это нелогичное наблюдение побудило астрономов в Калифорнийском университете в Санта-Крус исследовать эволюцию планетных систем с использованием компьютерного моделирования. Их результаты, о которых сообщается в статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, указывают на решающую роль фазы гигантских воздействий в эволюции планетных систем с большой массой, что приводит к коллизионному росту множества планет-гигантов с близкими орбитами.

«Гигантская планета не так легко выбрасывается на эксцентричную орбиту, как меньшая планета, но если рядом со звездой-хозяином есть несколько гигантских планет, их гравитационные взаимодействия с большей вероятностью рассеивают их на эксцентричные орбиты», — объяснила первый автор Рената Фрелих, аспирант по астрономии и астрофизике в Калифорнийском университете в Санта-Круз.

Фрелих выполнила сотни симуляций планетных систем, начиная каждую с 10 планет, расположенных по круговым орбитам и изменяя начальную общую массу системы и массы отдельных планет. Поскольку системы развивались в течение 20 миллионов моделируемых лет, динамическая нестабильность приводила к столкновениям и слияниям с образованием больших планет, а также к гравитационным взаимодействиям, которые выбрасывали некоторые планеты и рассеивали другие на эксцентричных орбитах.

Анализируя результаты этих симуляций коллективно, исследователи обнаружили, что планетные системы с самой начальной общей массой производят самые большие планеты и планеты с самыми высокими эксцентриситетами.

«Наша модель, естественно, объясняет нелогичное соотношение массы и эксцентриситета», — сказал Фрелих.

Соавтор Рут Мюррей-Клей, профессор теоретической астрофизики в Гандерсон из Калифорнийского университета в Санта-Круз, сказал, что единственное нестандартное предположение в их модели состоит в том, что во внутренней части планетной системы может быть несколько планет газовых гигантов.

Согласно классической модели формирования планет, основанной на нашей собственной солнечной системе, во внутренней части протопланетного диска вокруг звезды недостаточно материала, чтобы образовать планеты-гиганты газа, поэтому во внутренней части планеты образуются только маленькие каменистые планеты. Система и планеты-гиганты образуются дальше. Тем не менее, астрономы обнаружили много газовых гигантов, вращающихся вблизи их звезд. Поскольку их относительно легко обнаружить, эти «горячие Юпитеры» составляли большинство ранних открытий экзопланет, но они могут быть необычным результатом образования планет.

«Это может быть необычный процесс», — сказал Мюррей-Клэй. «Мы предполагаем, что более вероятно, что это произойдет, когда начальная масса в диске высока, и что гигантские планеты-гиганты образуются во время фазы гигантских ударов».

Эта фаза гигантских ударов аналогична завершающей стадии сборки нашей собственной солнечной системы, когда луна образовалась после столкновения Земли с другой планетой. «Из-за предвзятости нашей солнечной системы мы склонны думать о столкновениях как о скалистых планетах, а о выбросах — как о планетах-гигантах, но есть целый спектр возможных результатов в эволюции планетных систем», — сказал Мюррей-Клэй.

Согласно Фрелих, столкновительный рост планет-гигантов большой массы должен быть наиболее эффективным во внутренних областях, потому что столкновения между планетами во внешних частях системы, скорее всего, приведут к выбросам, чем к слияниям. По ее словам, слияния, производящие планеты с большой массой, должны достигать максимума на расстоянии от звезды-хозяина около 3 астрономических единиц (AU, расстояние от Земли до Солнца).

«Мы прогнозируем, что планеты-гиганты с наивысшей массой будут получены в результате слияния небольших газовых гигантов на расстоянии от 1 до 8 а.е. от их звезд-хозяев», — сказала Фрелих. «Исследования экзопланет выявили некоторые очень большие экзопланеты, которые приближаются к массе, большей, чем у Юпитера в 20 раз. Для их создания может потребоваться много столкновений, поэтому интересно, что мы видим эту фазу гигантских воздействий в наших симуляциях».

Популярные материалы