[논문 리뷰] Highly inclined and eccentric massive planets. II. Planet-planet interactions during the disc phase

Sotiris Sotiriadis, Anne-Sophie Libert외 2명|Repository of the University of Namur|2016. 12. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 기체 원반 내에서 타입-II 이주 동안의 행성-행성 상호작용이 다중 행성계의 궤도 구조를 어떻게 형성하는지, 유체역학적으로 유도된 이심도 및 경사도 감쇠 법칙을 사용하여 조사한다. 강한 원반 유도 감쇠에도 불구하고 약 5%의 시스템이 높은 상호 경사도(≥10°)를 가지며, 주로 궤도 공명 포획 또는 산란을 통해 발생하며, 100 Myr 후 30%가 여전히 공명 상태에 있으며, 시뮬레이션 결과 관측된 외계행성의 반장경과 이심도 분포와 강한 일치를 보인다.

ABSTRACT

We aim to investigate the influence of the eccentricity and inclination damping due to planet-disc interactions on the final configurations of the systems, generalizing previous studies on the combined action of the gas disc and planet-planet scattering during the disc phase. Instead of the simplistic $K$-prescription, our n-body simulations adopt the damping formulae for eccentricity and inclination provided by the hydrodynamical simulations of our companion paper. We follow the evolution of $11000$ numerical experiments of three giant planets in the late stage of the gas disc, exploring different initial configurations, planetary mass ratios and disc masses. The dynamical evolutions of the planetary systems are studied along the simulations, with emphasis on the resonance captures and inclination-growth mechanisms. Most of the systems are found with small inclinations ($\le10^{\circ}$) at the dispersal of the disc. Even though many systems enter an inclination-type resonance during the migration, the disc usually damps the inclinations on a short timescale. Although the majority of the multiple systems in our results are quasi-coplanar, $\sim5\%$ of them end up with high mutual inclinations ($\ge10^{\circ}$). Half of these highly mutually inclined systems result from two- or three-body MMR captures, the other half being produced by orbital instability and/or planet-planet scattering. When considering the long-term evolution over $100$ Myr, destabilization of the resonant systems is common, and the percentage of highly mutually inclined systems still evolving in resonance drops to $30\%$. Finally, the parameters of the final system configurations are in very good agreement with the semi-major axis and eccentricity distributions in the observations, showing that planet-planet interactions during the disc phase could have played an important role in sculpting planetary systems.

연구 동기 및 목표

• 다중 행성계의 후기 원반 단계에서 행성-행성 산란과 원반 유도 감쇠가 함께 작용하여 최종 궤도 구조를 어떻게 형성하는지 이해하기 위해.
• 제1편 논문에서 유도된 유체역학적 시뮬레이션을 기반으로 한 이심도 및 경사도 감쇠 법칙이 거대 행성의 최종 경사도와 이심도를 어떻게 결정하는지 조사하기 위해.
• 원반 단계 동안 형성된 고경사도 시스템의 장기적 안정성과 100 Myr 동안 공명 구성의 생존률을 평가하기 위해.
• 원반 이주 동안의 행성-행성 상호작용이 관측된 외계행성 궤도 매개변수의 다양성을 설명할 수 있는지, 특히 높은 이심도와 경사도를 고려하여 평가하기 위해.
• 현실적인 원반 감쇠 조건 하에서 공명 포획, 산란, 불안정성의 상대 기여도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 제1편 논문에서 유도된 이심도 및 경사도 감쇠 시간스케일을 사용하여, 후기 기체 원반 단계에서 세 거대 행성의 3차원 n체 시뮬레이션을 11,000회 수행하였다.
• 원반의 진화 영향을 평가하기 위해 두 가지 원반 모델을 적용: 질량이 일정한 원반(분해 없음)과 지수 감쇠를 갖는 감소하는 질량 원반(감쇠 시간 상수 1 Myr).
• 표준 K-규칙을 대체하여 실제 감쇠 공식을 사용하여 이심도 및 경사도 감쇠를 모델링함으로써 원반의 궤도에 대한 영향을 더 정확히 반영하였다.
• 원반 소멸 후 100 Myr 동안 궤도 진화를 추적하며, 공명 포획, 경사도 증가 및 동역학적 안정성에 중점을 두었다.
• 상호 경사도(I_mut ≥ 10°) 및 공명 상태에 따라 시스템을 분류하고, 궤도 공명 및 산란과 같은 형성 메커니즘을 분석하였다.
• 최종 시스템 매개변수(반장경, 이심도, 상호 경사도)를 관측된 외계행성 분포와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 원반 유도 경사도 감쇠가 존재하는 상황에서도, 원반 이주 동안의 행성-행성 상호작용이 얼마나 높은 궤도 경사도를 가진 행성계를 생성할 수 있는가?
• RQ2 현실적인 원반 감쇠 조건 하에서, 상호 경사도를 가진 시스템을 형성하는 데 주로 기여하는 역학적 메커니즘(공명 포획, 산란, 불안정성)은 무엇인가?
• RQ3 100 Myr 동안의 장기 진화 동안, 공명 상태의 고경사도 시스템의 생존률은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 모의 시뮬레이션의 반장경 및 이심도 분포는 관측된 외계행성의 분포와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 다른 원반 질량 진화 모델(일정 질량 대 감소 질량)은 최종 시스템 구조와 경사도 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 원반 유도 감쇠가 존재하더라도, 약 5%의 시뮬레이션된 다중 행성계가 원반 소멸 시점에 높은 상호 경사도(I_mut ≥ 10°)를 가지며, 이는 감쇠가 존재하더라도 경사도 증가가 가능함을 시사한다.
• 높은 상호 경사도를 가진 시스템의 절반 이상이 이중 또는 삼중 천체 궤도 공명 포획에서 기인하며, 이는 공명 역학이 경사도 증가에 핵심적인 역할을 한다는 것을 강조한다.
• 나머지 절반의 고경사도 시스템은 원반 단계 중 또는 이후의 궤도 불안정성과/또는 행성-행성 산란에 기인한다.
• 100 Myr의 장기 진화 후, 원래 고경사도였던 시스템 중 약 30%만이 여전히 공명 상태에 있으며, 이는 공명 구성이 장기적으로는 동역학적으로 불안정하다는 것을 시사한다.
• 시뮬레이션에서 유도된 최종 반장경 및 이심도 분포는 관측된 외계행성 집단과 뛰어난 일치를 보이며, 모델의 물리적 타당성을 뒷받침한다.
• 일정 질량 원반 모델은 더 많은 행성 융합과 더 적은 탈출을 유도하지만, 두 모델 모두 유사한 최종 경사도 통계를 보이며, 이는 경사도 증가 메커니즘의 강건성을 시사한다.