[论文解读] On the Possibility of Tidal Formation of Binary Planets Around Ordinary Stars

Philipp Podsiadlowski, S. Rappaport+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2010

Astro and Planetary Science被引用 10

一句话总结

本文研究了在近距离动力学相遇期间，两颗行星通过潮汐捕获形成双行星或棕矮星系统的可行性，作为在普通恒星周围形成双行星系统的机制。通过使用Fewbody积分器进行N体模拟，作者表明，此类系统可在典型行星质量和轨道构型下形成，为双行星形成提供了一条新途径，该途径可能通过开普勒等凌星巡天得到约束。

ABSTRACT

The planet formation process and subsequent planet migration may lead to configurations resulting in strong dynamical interactions among the various planets. Well-studied possible outcomes include collisions between planets, scattering events that eject one or more of the planets, and a collision of one or more of the planets with the parent star. In this work we consider one other possibility that has seemingly been overlooked in the various scattering calculations presented in the literature: the tidal capture of two planets which leads to the formation of a binary planet (or binary brown dwarf) in orbit about the parent star. We carry out extensive numerical simulations of such dynamical and tidal interactions to explore the parameter space for the formation of such binary planets. We show that tidal formation of binary planets is possible for typical planet masses and distances from the host star. The detection (or lack thereof) of planet-planet binaries can thus be used to constrain the properties of planetary systems, including their mutual spacing during formation, and the fraction of close planets in very eccentric orbits which are believed to form by a closely related process.

研究动机与目标

• 探讨在近距离行星相遇期间，潮汐相互作用是否能导致形成稳定的双行星或棕矮星系统。
• 评估潮汐捕获作为形成此类系统的一种替代机制，相较于分裂或散射的可行性。
• 通过双行星的探测或未探测结果，约束行星系统的属性，如相互间距和偏心率分布。
• 评估潜在双行星系统的动力学稳定性和长期演化，包括通过洛希瓣溢出发生的质量转移。
• 通过与现有散射模拟对比，验证Fewbody积分器的准确性，确保其在模拟近距离相遇时的可靠性。

提出的方法

• 采用优化用于强小-N引力相遇的Fewbody N体积分器，近距离接近时采用自适应、非辛积分方法。
• 对不同初始质量、偏心率、倾角和半长轴的行星-行星散射事件进行了大量数值模拟。
• 使用与Ford & Rasio (2008)一致的初始条件，包括10⁻³ M☉的行星质量和1 M☉的恒星质量，以确保一致性和验证。
• 基于轨道能量和结合标准定义了抛射与潮汐捕获，以区分未束缚的抛射与束缚双星系统的形成。
• 通过与Ford & Rasio (2008)发表的偏心率分布对比验证结果，确认中位偏心率和整体形状的一致性。
• 分析近距离接近期间的潮汐能量耗散和振荡模态，以评估能量损失和结合潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近距离行星相遇期间，潮汐捕获是否能导致在普通恒星周围形成稳定的双行星系统？
• RQ2 哪些关键轨道和质量参数有利于潮汐捕获而非抛射或碰撞？
• RQ3 与分裂或盘迁移等其他形成途径相比，潮汐捕获机制的形成可能性如何？
• RQ4 双行星可能产生哪些观测特征，特别是在开普勒或CoRoT等凌星巡天中？
• RQ5 双行星的存在或缺失在多大程度上可约束行星系统的初始结构，包括初始相互间距和偏心率分布？

主要发现

• 在近距离相遇期间，两颗行星的潮汐捕获可导致形成稳定的双行星系统，即使对于气态巨行星或棕矮星亦然。
• 模拟结果表明，此类系统可在典型行星质量（例如10⁻³ M☉）和轨道间距下形成，表明其为一条可行的形成路径。
• 在抛射后幸存行星的累积偏心率分布与Ford & Rasio (2008)的结果高度吻合，验证了Fewbody积分器在模拟近距离相遇时的准确性。
• 在近星点通过期间，潮汐能量耗散将轨道能量转化为振荡能和热能，从而在相遇后实现稳定结合。
• 双行星系统可能表现出长期稳定性，若达到洛希瓣接触，还可能发生质量转移，形成寿命较长的行星质量转移系统。
• 通过凌星巡天探测到食双行星，将为早期行星系统结构（包括初始相互间距和偏心率分布）提供有力约束。