[论文解读] Last giant impact on the Neptunian system. Constraints on oligarchic masses in the trans-Saturnian region

M. G. Parisi, L. del Valle|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Apr 4, 2011

Astro and Planetary Science参考文献 50被引用 3

一句话总结

本文通过建模原海王星经历的最后一次巨型撞击，约束了导致海王星当前黄赤交角和不规则卫星系统形成的最后一位寡头撞击体的质量。通过角动量和冲量传递计算，发现撞击体质量必须 ≤4 M⊕ 才能重现海王星的自转状态，且必须 ≤1.4 M⊕ 才能保持当前的不规则卫星系统，该结论与形成位置或迁移历史无关。

ABSTRACT

Stochastic impacts by large bodies are, at present, the usually accepted mechanisms able to account for the obliquity of the ice giants. We attempt to set constraints on giant impacts as the cause of Neptune's current obliquity in the framework of modern theories. We also use the present orbital properties of the Neptunian irregular satellites (with the exception of Triton) to set constraints on the scenario of giant impacts at the end of Neptune formation. We model the angular momentum transfer to proto-Neptune and the impulse transfer to its irregular satellites by the last stochastic collision (GC) between the protoplanet and an oligarchic mass at the end of Neptune's formation. We obtain that an impactor mass greather than 4 Earth masses is not possible since it cannot reproduce the present rotational properties of the planet, unless the impact parameter of the collision were very small. On the other hand, if the impactor mass was greather than 1.4 Earth masses, the present Neptunian irregular satellites had to be formed or captured after the end of stochastic impacts. The upper bounds on the oligarchic masses (4 Earth masses from the obliquity of Neptune and 1.4 earth masses from the Neptunian irregular satellites) are independent of unknown parameters, such as the mass and distribution of the planetesimals, the location at which Uranus and Neptune were formed, the Solar Nebula initial surface mass density, and the growth regime. If stochastic impacts had occurred, these results should be understood as upper constraints on the oligarchic masses in the trans-Saturnian region at the end of ice planet formation and may be used to set constraints on planetary formation scenarios.

研究动机与目标

• 确定能通过随机碰撞改变海王星黄赤交角的最后一位巨型撞击体的质量。
• 约束能保持或捕获当前海王星不规则卫星系统的撞击体质量。
• 在不依赖不确定的初始盘参数的前提下，建立冰巨星形成末期海王星外区域寡头天体的质量限制。
• 通过评估撞击情景与当前行星和卫星特性的符合程度，检验海王星是否在原位或10–20 AU之间形成。
• 利用自转特性和卫星系统作为诊断工具，为行星形成模型提供独立约束。

提出的方法

• 利用角动量守恒和撞击动力学，模拟最后一次巨型撞击向原海王星传递的角动量。
• 应用冲量传递理论，估算撞击体对不规则卫星轨道特性的影响。
• 将海王星当前的自转参数（黄赤交角、自转速率）作为撞击体质量与撞击参数的约束条件。
• 将海王星不规则卫星当前的轨道与物理特性作为撞击体质量与撞击时间的约束条件。
• 假设撞击体最小质量为 1 M⊕，并将其质量从 1 M⊕ 逐步增加至 4 M⊕，以确定与观测一致的上限。
• 在两种形成模型下评估该情景：原位形成与在 10–20 AU 之间形成，无论是否伴随迁移。

实验结果

研究问题

• RQ1 单次巨型撞击下，能重现海王星当前黄赤交角的最大寡头撞击体质量是多少？
• RQ2 为保持或捕获当前海王星不规则卫星系统，所需撞击体的质量应为多少，且不会破坏其轨道？
• RQ3 撞击体质量的约束如何依赖于海王星的形成位置（原位 vs. 10–20 AU）或迁移历史？
• RQ4 仅通过随机撞击能否解释海王星当前的自转状态与卫星系统？这对海王星外区域寡头质量有何启示？
• RQ5 这些约束对行星形成模型有何启示，特别是对尼斯模型或原位形成模型？

主要发现

• 无论海王星是在原位还是在 10–20 AU 之间形成，撞击体质量 mi ≤ 4 M⊕ 才能通过单次巨型撞击重现海王星当前的黄赤交角。
• 若撞击体质量 mi > 4 M⊕，则必须具有极小的撞击参数才能重现海王星当前的自转特性，此类碰撞极不可能发生。
• 若最后一次巨型撞击发生在不规则卫星捕获之前，则撞击体质量 mi ≤ 1.4 M⊕ 才能保持或捕获当前的海王星不规则卫星系统。
• 若撞击体质量超过 1.4 M⊕，则当前的不规则卫星系统必须在随机撞击阶段结束后才形成或被捕获。
• 对寡头质量的上限约束（由黄赤交角得 4 M⊕，由卫星系统得 1.4 M⊕）独立于未知参数，如星子质量、初始星盘密度或形成位置。
• 这些约束为冰巨星形成末期海王星外区域寡头天体的质量提供了稳健且与模型无关的限制。