[論文レビュー] Highly inclined and eccentric massive planets. II. Planet-planet interactions during the disc phase

Sotiris Sotiriadis, Anne-Sophie Libert+2 more|Repository of the University of Namur|Dec 8, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、ガス惑星系円盤内でのタイプII移動中に発生する惑星同士の相互作用が、多数惑星系の軌道的構造をどのように形成するかを、流体動力学的根拠に基づく離心率および軌道傾きの減衰則を用いて調査している。強い円盤由来の減衰が作用するにもかかわらず、約5%の系が高互いの軌道傾き（≥10°）に達しており、主に平均運動共鳴捕獲または散乱によって生じており、100 Myr後に30%が共鳴状態を維持している。また、シミュレーションは観測された系外惑星の半長径および離心率分布と強く一致している。

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.

研究の動機と目的

• 惑星同士の散乱と円盤由来の減衰が、円盤の後期段階における多数惑星系の最終的軌道配置をどのように共同で決定するかを理解すること。
• 第I報の流体動力学的シミュレーションに基づく離心率および軌道傾きの減衰則が、質量の大きな惑星の最終的軌道傾きおよび離心率をどのように決定するかを調査すること。
• 円盤段階に形成された高軌道傾き系の長期的安定性を評価し、100 Myr間に共鳴配置の生存率を検証すること。
• 円盤移動中の惑星同士の相互作用が、特に高い離心率および軌道傾きを示す観測された系外惑星の軌道パラメータの多様性を説明できるかを検討すること。
• 現実的な円盤減衰条件下で、共鳴捕獲、散乱、不安定性の相対的寄与度を定量化し、互いに傾いた系を形成するメカニズムを明らかにすること。

提案手法

• 第I報の流体動力学的シミュレーションから得られた離心率および軌道傾きの減衰 timescales を用いて、11,000回の3次元n体シミュレーションを実施。3つの巨大惑星を含む系の円盤後期段階を対象とした。
• 2種類の円盤モデルを適用：質量が一定の円盤（崩壊なし）と、指数関数的崩壊を示す質量減少型円盤（e-folding timescale 1 Myr）、円盤進化の影響を評価した。
• 標準的なK-規定に代わる現実的な減衰式を用いて、離心率および軌道傾きの減衰をより正確にモデル化した。
• 円盤分散から100 Myrまでの軌道進化を追跡し、共鳴捕獲、軌道傾きの増大、動的安定性に注目した。
• 相互軌道傾き（I_mut ≥ 10°）および共鳴状態に基づいて系を分類し、平均運動共鳴や散乱などの形成メカニズムを分析した。
• 最終的な系のパラメータ（半長径、離心率、相互軌道傾き）を観測された系外惑星分布と比較し、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い円盤由来の軌道傾き減衰が作用する中で、円盤移動中の惑星同士の相互作用が、どれほど高軌道傾きの惑星系を形成できるか。
• RQ2 現実的な円盤減衰条件下で、互いに傾いた系を形成する主な力学的メカニズム（共鳴捕獲、散乱、不安定性）は何か。
• RQ3 100 Myrの長期的進化において、共鳴状態の高軌道傾き系の生存率はどのように変化するか。
• RQ4 シミュレーションによる半長径および離心率の軌道分布は、観測された系外惑星の分布とどの程度一致するか。
• RQ5 異なる円盤質量進化モデル（一定質量対質量減少）は、最終的な系の構造および軌道傾き分布にどのような影響を及ぼすか。

主な発見

• 強い円盤由来の減衰が作用するにもかかわらず、約5%のシミュレートされた多数惑星系が、円盤分散時点で高互いの軌道傾き（I_mut ≥ 10°）に達しており、減衰が作用しても軌道傾きの励起が可能であることを示している。
• 高互いの軌道傾き系の半数が2体または3体の平均運動共鳴捕獲に起因しており、共鳴ダイナミクスが軌道傾き励起において極めて重要な役割を果たしていることが明らかになった。
• 残りの半数の高軌道傾き系は、円盤段階中または以降に発生した軌道不安定性および/または惑星同士の散乱に起因している。
• 100 Myrの長期的進化後、元々高軌道傾きであった系のうち30%しか共鳴状態を維持しておらず、共鳴配置は長期スケールで動的不安定であることが示された。
• シミュレーションから得られた最終的な半長径および離心率分布は、観測された系外惑星集団と非常に良好に一致しており、モデルの物理的妥当性を支持している。
• 一定質量円盤モデルでは、より多くの惑星合体とより少ない脱出が観測されたが、両モデルとも最終的な軌道傾き統計に類似した結果を示しており、軌道傾き励起メカニズムの頑健性が示された。