Symulacje tłumaczą gazowe olbrzymy na wydłużonych, ciasnych orbitach

W trakcie ewolucji układów planetarnych, interakcje grawitacyjne między planetami mogą czasami wrzucić je na wydłużone orbity eliptycznego wokół gwiazdy macierzystej, a nawet całkowicie wyrzucić je z układu planetarnego. Mniejsze planety powinny być bardziej podatne na takie grawitacyjne rozpraszanie, a mimo to to właśnie gazowe olbrzymy często obserwuje się na wydłużonych orbitach znacznie różniących się od mniej więcej kołowych orbit w Układzie Słonecznym.

Co ciekawe, planety o największych masach to zazwyczaj te, których orbity są najbardziej wydłużone, mimo że inercja większej masy powinna utrudniać zaburzanie początkowej orbity takiego obiektu. Te sprzeczne z intuicją obserwacje sprawiły, że astronomowie z UC Santa Cruz zajęli się badaniem ewolucji układów planetarnych za pomocą symulacji komputerowych. Wyniki ich badań opisane w artykule opublikowanym w Astrophysical Journal Letters wskazują kluczową rolę fazy potężnych zderzeń w ewolucji masywnych układów planetarnych, która prowadzi do powstania wielu olbrzymich planet na ciasnych orbitach.

“Olbrzymiej planety nie da się tak łatwo wrzucić na wydłużoną orbitę jak małą, ale jeżeli wiele gazowych olbrzymów znajduje się blisko gwiazdy macierzystej, ich wzajemne interakcje grawitacyjne mogą wprowadzić je na orbity wydłużone” tłumaczy główna autorka opracowania Renata Frelikh, doktorantka na UC Santa Cruz.

Frelikh wykonała setki symulacji układów planetarnych, zaczynając od układu z 10 planetami na orbitach kołowych i różnych początkowych masach całego układu i masach poszczególnych planet. W toku ewolucji układów na przestrzeni 20 milionów symulowanych lat, dynamiczne niestabilności prowadziły do zderzeń i łączeń w większe planety oraz do grawitacyjnych oddziaływań, które wyrzucały niektóre planety a inne wprowadzały na orbity mocno wydłużone.

Analizując łącznie wyniki tych symulacji, badacze doszli do wniosku, że układy planetarne o najwyższej początkowej masie całkowitej prowadziły do powstania największych planet i planet poruszających się po orbitach o najwyższym mimośrodzie.

“Nasz model naturalnie tłumaczy sprzeczną z intuicją korelację masy i mimośrodowości orbity” mówi Frelikh.

Współautorka opracowania Ruth Murray-Clay, profesorka astrofizyki teoretycznej na UC Santa Cruz, dodaje, że jedynym niestandardowym założeniem w ich modelu jest to, że w wewnętrznej części układu planetarnego znajduje się kilka gazowych olbrzymów. “Jeżeli przyjmiemy takie założenie, pojawia się prognozowane przez nas zachowanie planet” dodaje.

Według klasycznego modelu formowania planet, opartego na naszym własnym Układzie Słonecznym, w wewnętrznej części dysku protoplanetarnego nie ma wystarczającej ilości materii do tworzenia gazowych olbrzymów, zatem powstają tam jedynie małe skaliste planety, a gazowe olbrzymy powstają znacznie dalej. Mimo to astronomowie odkryli już wiele gazowych olbrzymów krążących bardzo blisko swoich gwiazd macierzystych. Ponieważ stosunkowo łatwo je wykryć, te “gorące jowisze” stanowiły znaczącą większość wśród pierwszych odkrywanych egzoplanet, ale mogą one być nieczęstym skutkiem procesu formowania planet.

“To może być nietypowy proces” mówi Murray-Clay. “Wskazujemy, że częściej może dotyczyć to układów, w których początkowa masa dysku była wysoka, a masywne gazowe olbrzymy powstają w nich w fazie gigantycznych zderzeń”.

Owa faza gigantycznych zderzeń jest analogiczna do ostatniego stadium powstawania naszego własnego układu planetarnego, w którym księżyc uformował się w skutek kolizji Ziemi z planetą o rozmiarach Marsa. “Ze względu na nasze przywiązanie do układu słonecznego, zakładamy, że zderzenia zachodzą między planetami skalistymi, a wyrzucanie planet z układu dotyczy gazowych olbrzymów, ale w rzeczywistości istnieje cała paleta możliwych skutków ewolucji układów planetarnych” mówi Murray-Clay.

Według Frelikh wzrost masywnych gazowych olbrzymów wskutek zderzeń jest najbardziej wydajny w wewnętrznych rejonach, ponieważ zbliżenia planet w zewnętrznych rejonach układów planetarnych częściej prowadzą do wyrzucenia planety z układu niż do połączenia się w jeden większy obiekt. Procesy łączenia w planety o dużej masie powinny skupiać się w odległości około 3 jednostek astronomicznych (AU, średnia odległość Ziemi od Słońca) od gwiazdy macierzystej.

“Podejrzewamy, że gazowe olbrzymy o najwyższej masie powstają wskutek połączenia mniejszych gazowych olbrzymów w rejonie od 1 do 8 AU od gwiazd macierzystych” mówi Frelikh. “W przeglądach egzoplanet rejestrowano już wyjątkowo duże egzoplanety sięgające nawet 20 mas Jowisza. Potrzeba wielu kolizji, aby doprowadzić do powstania takich planet, dlatego interesująca jest obserwowana przez nas w symulacjach faza gigantycznych zderzeń”.

Źródło: University of California-Santa Cruz

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.