[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究利用来自流体动力学模拟的偏心率与倾角阻尼律，研究了在气态原行星盘中，行星-行星相互作用如何塑造多行星系统的轨道构型，特别是在II型迁移期间。尽管存在强烈的盘诱导阻尼，约5%的系统在盘耗散时达到高互倾角（≥10°），主要通过平均运动共振捕获或散射形成，其中30%的系统在1亿年内仍保持共振状态，模拟结果与观测到的系外行星半长轴和偏心率分布高度一致。

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.

研究动机与目标

• 理解行星-行星散射与盘诱导阻尼如何共同塑造多行星系统在盘后期的最终轨道构型。
• 研究源自第一篇论文中流体动力学模拟的偏心率与倾角阻尼——在确定大质量行星的最终倾角与偏心率方面所起的作用。
• 评估在盘相位形成的高倾角系统的长期稳定性，并评估1亿年内共振构型的存活率。
• 确定在盘迁移期间的行星-行星相互作用是否能够解释观测到的系外行星轨道参数的多样性，特别是高偏心率与高倾角。
• 量化在现实盘阻尼条件下，共振捕获、散射与不稳定性在形成互倾角系统中的相对贡献。

提出的方法

• 对11,000组三颗巨行星在盘后期的三维n体模拟进行，采用源自第一篇论文中流体动力学模拟的偏心率与倾角阻尼 timescales。
• 应用两种盘模型：恒定质量盘（无耗散）与质量随时间呈指数衰减的盘（时间常数为1 Myr），以评估盘演化的影响。
• 使用现实的偏心率与倾角阻尼公式，取代标准的K-预设法，以更准确地模拟盘对行星轨道的影响。
• 追踪从盘耗散到1亿年的轨道演化，重点关注共振捕获、倾角增长与动力学稳定性。
• 根据互倾角（I_mut ≥ 10°）与共振状态对系统进行分类，分析平均运动共振与散射等形成机制。
• 将最终系统参数（半长轴、偏心率、互倾角）与观测到的系外行星分布进行比较，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈的盘诱导倾角阻尼，行星-行星相互作用在盘迁移期间在多大程度上能形成高倾角系?
• RQ2 在现实盘阻尼条件下，主导的动力学机制——共振捕获、散射或不稳定性——在形成互倾角系统中起什么作用?
• RQ3 在1亿年的长期演化中，共振的高倾角系统的存活率如何演变?
• RQ4 模拟得到的半长轴与偏心率轨道分布与观测到的系外行星分布匹配程度如何?
• RQ5 不同的盘质量演化模型（恒定质量 vs. 衰减质量）如何影响最终的系统构型与倾角分布?

主要发现

• 尽管存在强烈的盘诱导阻尼，约5%的模拟多行星系统在盘耗散时达到高互倾角（I_mut ≥ 10°），表明即使在阻尼存在下，倾角激发仍可能发生。
• 一半的高互倾角系统起源于两体或三体平均运动共振捕获，凸显了共振动力学在倾角激发中的关键作用。
• 其余一半的高倾角系统源于盘相位内或之后的轨道不稳定性与/或行星-行星散射。
• 在1亿年的长期演化后，仅30%的原始高倾角系统仍保持共振状态，表明共振构型在长时间尺度上具有动力学不稳定性。
• 模拟得到的最终半长轴与偏心率分布与观测到的系外行星群体高度一致，支持该模型的物理合理性。
• 恒定质量盘模型导致更多行星合并与更少抛射，但两种模型的最终倾角统计特征相似，表明倾角激发机制具有鲁棒性。