模擬解釋了具有偏心近距離軌道的巨型系外行星

隨著行星系統(tǒng)的發(fā)展，行星之間的引力相互作用可使其中一些引向圍繞主恒星的偏心橢圓軌道，甚至完全脫離系統(tǒng)。較小的行星應(yīng)該更容易受到這種引力散射的影響，但是已經(jīng)觀察到許多氣體巨型系外行星的偏心軌道與我們太陽(yáng)系中行星的大致圓形軌道非常不同。

出人意料的是，盡管質(zhì)量較大的慣性使它更難脫離其初始軌道，但質(zhì)量最高的行星往往是偏心率最高的行星。這種違反直覺(jué)的觀察促使圣克魯斯大學(xué)的天文學(xué)家使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)探索行星系統(tǒng)的演變。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上，該論文表明，巨型撞擊階段在高質(zhì)量行星系統(tǒng)演化中起著至關(guān)重要的作用，導(dǎo)致具有近軌道的多個(gè)巨型行星發(fā)生碰撞增長(zhǎng)。

第一作者雷納塔·弗雷里克(Renata Frelikh)解釋說(shuō)：“一個(gè)巨型行星不像一個(gè)較小的行星那樣容易分散到偏心軌道上，但是，如果有多個(gè)巨型行星靠近主恒星，它們的引力相互作用更有可能將它們分散到偏心軌道上，”加州大學(xué)圣克魯斯分校的天文學(xué)和天體物理學(xué)研究生。

Frelikh對(duì)行星系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)百次模擬，每個(gè)模擬都從10個(gè)圓形軌道的行星開(kāi)始，并改變了系統(tǒng)的初始總質(zhì)量和各個(gè)行星的質(zhì)量。隨著系統(tǒng)在2000萬(wàn)個(gè)模擬年的發(fā)展中，動(dòng)力的不穩(wěn)定性導(dǎo)致碰撞和合并，從而形成更大的行星，以及引力相互作用，使一些行星彈出而使其他行星分散到偏心軌道中。

集體分析這些模擬的結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)，初始總質(zhì)量最高的行星系統(tǒng)產(chǎn)生的行星最大，而偏心率最高的行星。

“我們的模型自然地解釋了質(zhì)量和偏心率的反直覺(jué)關(guān)系，” Frelikh說(shuō)。

共同作者，加州大學(xué)圣克魯斯分校的Gunderson理論天體物理學(xué)教授Ruth Murray-Clay說(shuō)，他們模型中唯一的非標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)是行星系統(tǒng)的內(nèi)部可以有多個(gè)氣體巨型行星。她說(shuō)：“如果做出這樣的假設(shè)，其他所有行為都會(huì)發(fā)生。”

根據(jù)經(jīng)典的行星形成模型，根據(jù)我們自己的太陽(yáng)系，圍繞恒星的原行星盤(pán)內(nèi)部沒(méi)有足夠的物質(zhì)來(lái)制造氣體巨型行星，因此在行星內(nèi)部?jī)H形成小巖石行星。系統(tǒng)和巨型行星形成得更遠(yuǎn)。然而，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多繞著它們的恒星運(yùn)行的氣體巨人。由于這些“熱木星”相對(duì)容易發(fā)現(xiàn)，占了早期系外行星發(fā)現(xiàn)的大部分，但它們可能是行星形成的罕見(jiàn)結(jié)果。

Murray-Clay說(shuō)：“這可能是一個(gè)不尋常的過(guò)程。” “我們建議，當(dāng)盤(pán)中的初始質(zhì)量很高時(shí)，更可能發(fā)生這種情況，并且在巨大撞擊階段會(huì)產(chǎn)生高質(zhì)量的巨型行星。”

這個(gè)巨大的撞擊階段類(lèi)似于我們自己的太陽(yáng)系組裝的最后階段，那時(shí)月球是在地球與另一行星碰撞后形成的。Murray-Clay說(shuō)：“由于太陽(yáng)系的偏見(jiàn)，我們傾向于認(rèn)為撞擊發(fā)生在巖石行星上，而射出則發(fā)生在巨型行星上，但是行星系統(tǒng)的發(fā)展可能有各種各樣的結(jié)果。”

Frelikh認(rèn)為，在內(nèi)部區(qū)域，高質(zhì)量巨型行星的碰撞增長(zhǎng)應(yīng)該是最有效的，因?yàn)橄到y(tǒng)外部的行星之間的相遇比合并更容易導(dǎo)致彈射。她說(shuō)，合并產(chǎn)生高質(zhì)量行星的位置應(yīng)該在距宿主恒星約3個(gè)天文單位的距離(AU，即地球到太陽(yáng)的距離)處達(dá)到峰值。

Frelikh說(shuō)：“我們預(yù)測(cè)，質(zhì)量最高的巨型行星將由較小的天然氣巨頭與它們的宿主恒星合并產(chǎn)生1至8 AU。” “系外行星調(diào)查發(fā)現(xiàn)了一些非常大的系外行星，其質(zhì)量接近木星的20倍?？赡軙?huì)產(chǎn)生很多碰撞，因此有趣的是，我們?cè)谀M中看到了這個(gè)巨大的撞擊階段。”