模拟解释了具有偏心近距离轨道的巨型系外行星

随着行星系统的发展，行星之间的引力相互作用可使其中一些引向围绕主恒星的偏心椭圆轨道，甚至完全脱离系统。较小的行星应该更容易受到这种引力散射的影响，但是已经观察到许多气体巨型系外行星的偏心轨道与我们太阳系中行星的大致圆形轨道非常不同。

出人意料的是，尽管质量较大的惯性使它更难脱离其初始轨道，但质量最高的行星往往是偏心率最高的行星。这种违反直觉的观察促使圣克鲁斯大学的天文学家使用计算机模拟来探索行星系统的演变。他们的研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，该论文表明，巨型撞击阶段在高质量行星系统演化中起着至关重要的作用，导致具有近轨道的多个巨型行星发生碰撞增长。

第一作者雷纳塔·弗雷里克(Renata Frelikh)解释说：“一个巨型行星不像一个较小的行星那样容易分散到偏心轨道上，但是，如果有多个巨型行星靠近主恒星，它们的引力相互作用更有可能将它们分散到偏心轨道上，”加州大学圣克鲁斯分校的天文学和天体物理学研究生。

Frelikh对行星系统进行了数百次模拟，每个模拟都从10个圆形轨道的行星开始，并改变了系统的初始总质量和各个行星的质量。随着系统在2000万个模拟年的发展中，动力的不稳定性导致碰撞和合并，从而形成更大的行星，以及引力相互作用，使一些行星弹出而使其他行星分散到偏心轨道中。

集体分析这些模拟的结果，研究人员发现，初始总质量最高的行星系统产生的行星最大，而偏心率最高的行星。

“我们的模型自然地解释了质量和偏心率的反直觉关系，” Frelikh说。

共同作者，加州大学圣克鲁斯分校的Gunderson理论天体物理学教授Ruth Murray-Clay说，他们模型中唯一的非标准假设是行星系统的内部可以有多个气体巨型行星。她说：“如果做出这样的假设，其他所有行为都会发生。”

根据经典的行星形成模型，根据我们自己的太阳系，围绕恒星的原行星盘内部没有足够的物质来制造气体巨型行星，因此在行星内部仅形成小岩石行星。系统和巨型行星形成得更远。然而，天文学家已经发现许多绕着它们的恒星运行的气体巨人。由于这些“热木星”相对容易发现，占了早期系外行星发现的大部分，但它们可能是行星形成的罕见结果。

Murray-Clay说：“这可能是一个不寻常的过程。”“我们建议，当盘中的初始质量很高时，更可能发生这种情况，并且在巨大撞击阶段会产生高质量的巨型行星。”

这个巨大的撞击阶段类似于我们自己的太阳系组装的最后阶段，那时月球是在地球与另一行星碰撞后形成的。Murray-Clay说：“由于太阳系的偏见，我们倾向于认为撞击发生在岩石行星上，而射出则发生在巨型行星上，但是行星系统的发展可能有各种各样的结果。”

Frelikh认为，在内部区域，高质量巨型行星的碰撞增长应该是最有效的，因为系统外部的行星之间的相遇比合并更容易导致弹射。她说，合并产生高质量行星的位置应该在距宿主恒星约3个天文单位的距离(AU，即地球到太阳的距离)处达到峰值。

Frelikh说：“我们预测，质量最高的巨型行星将由较小的天然气巨头与它们的宿主恒星合并产生1至8 AU。”“系外行星调查发现了一些非常大的系外行星，其质量接近木星的20倍。可能会产生很多碰撞，因此有趣的是，我们在模拟中看到了这个巨大的撞击阶段。”

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