Удивительно, но планеты с наибольшей массой, как правило, имеют самый высокий эксцентриситет, даже несмотря на то, что инерция большей массы должна затруднить сдвиг с начальной орбиты. Это противоречащее интуиции наблюдение побудило астрономов Калифорнийского университета в Санта-Крус исследовать эволюцию планетных систем с помощью компьютерного моделирования. Их результаты, представленные в статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, предполагают решающую роль фазы гигантских столкновений в эволюции планетных систем с большой массой, приводящей к столкновительному росту множества планет-гигантов с близкими орбитами.
«Гигантскую планету не так легко разбросать по эксцентрической орбите, как меньшую планету, но если рядом с главной звездой есть несколько планет-гигантов, их гравитационное взаимодействие с большей вероятностью разбросает их по эксцентрическим орбитам», – пояснила первый автор Рената Фрелих. аспирант по астрономии и астрофизике Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Фрелих выполнил сотни симуляций планетных систем, начиная с каждой из 10 планет на круговых орбитах и варьируя начальную общую массу системы и массы отдельных планет. Поскольку системы развивались в течение 20 миллионов смоделированных лет, динамическая нестабильность приводила к столкновениям и слияниям с образованием более крупных планет, а также к гравитационным взаимодействиям, которые выбрасывали одни планеты и разбрасывали другие на эксцентрические орбиты.
Коллективно анализируя результаты этих симуляций, исследователи обнаружили, что планетные системы с наибольшей начальной общей массой породили самые большие планеты и планеты с наибольшим эксцентриситетом.
«Наша модель естественным образом объясняет противоречащую интуиции корреляцию массы и эксцентриситета», – сказал Фрелих.
Соавтор Рут Мюррей-Клэй, профессор теоретической астрофизики Гундерсона в Калифорнийском университете в Санта-Круз, сказала, что единственное нестандартное предположение в их модели состоит в том, что во внутренней части планетной системы может быть несколько газовых планет-гигантов. "Если вы сделаете это предположение, все остальное поведение последует", – сказала она.
Согласно классической модели образования планет, основанной на нашей собственной солнечной системе, во внутренней части протопланетного диска вокруг звезды недостаточно материала для образования газовых планет-гигантов, поэтому во внутренней части планеты образуются только небольшие каменистые планеты. система и планеты-гиганты образуются дальше. Тем не менее, астрономы обнаружили множество газовых гигантов, вращающихся вокруг своих звезд.
Поскольку их относительно легко обнаружить, эти «горячие юпитеры» составили большинство ранних открытий экзопланет, но они могут быть необычным результатом образования планет.
"Это может быть необычный процесс", – сказал Мюррей-Клэй. «Мы предполагаем, что это более вероятно, когда начальная масса в диске высока, и что планеты-гиганты с большой массой образуются во время фазы гигантских столкновений."
Эта фаза гигантских столкновений аналогична заключительной стадии сборки нашей собственной солнечной системы, когда Луна образовалась после столкновения между Землей и другой планетой. «Из-за предвзятости нашей солнечной системы мы склонны думать, что столкновения происходят с каменистыми планетами, а выбросы – с планетами-гигантами, но существует целый спектр возможных результатов в эволюции планетных систем», – сказал Мюррей-Клэй.
По словам Фрелиха, рост массивных планет-гигантов из-за столкновений должен быть наиболее эффективным во внутренних областях, потому что встречи между планетами во внешних частях системы с большей вероятностью приведут к выбросам, чем слияниям.
По ее словам, слияния с образованием планет с большой массой должны достигнуть пика на расстоянии от звезды-хозяина около 3 астрономических единиц (а.е., расстояние от Земли до Солнца).
«Мы прогнозируем, что планеты-гиганты с наибольшей массой будут образованы в результате слияния более мелких газовых гигантов на расстоянии от 1 до 8 а.е. от их родительских звезд», – сказал Фрелих. "Исследования экзопланет обнаружили несколько чрезвычайно больших экзопланет, масса которых приближается к массе Юпитера в 20 раз. Для их создания может потребоваться много столкновений, поэтому интересно, что мы видим эту фазу гигантских ударов в наших симуляциях."