多行星系統(tǒng)不穩(wěn)定性和熱木星的形成效率

多行星系統(tǒng)不穩(wěn)定性和熱木星的形成效率當(dāng)前觀測到的系外多行星系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到近六百個(gè)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)系外行星以及系外行星系統(tǒng)的軌道構(gòu)型和太陽系有很大的不同。系外行星系統(tǒng)有緊密排列的超級地球系統(tǒng),有處于共振鏈的巨星系統(tǒng),還有存在于雙星或三星系統(tǒng)中的行星。而對經(jīng)典的核吸積模型提出了最初挑戰(zhàn)的是熱木星系統(tǒng),因?yàn)樵诜浅？拷餍堑奈恢?難以存在足夠多的固體和氣體物質(zhì)當(dāng)?shù)匦纬蔁崮拘恰Ｄ壳?觀測到熱木星大部分是孤獨(dú)的,沒有大質(zhì)量的伴行星,然而由于觀測方法的局限和觀測精度的限制,不排除有未觀測到的較遠(yuǎn)處的伴行星。行星在氣體盤潮汐粘滯作用是生成于雪線外氣巨星向內(nèi)遷移的影響因素之一,而大偏心率遷移機(jī)制也是形成熱木星的重要途徑之一。在經(jīng)典的核吸積模型中,行星吸積固體物質(zhì)雪崩增長,氣巨星快速吸積氣體或氣體盤消散過程中,由于行星間距的快速減小和氣體盤的阻尼力的減弱使原本穩(wěn)定的多行星(胚胎)系統(tǒng)很可能會發(fā)生動力學(xué)散射。散射后行星(胚胎)的偏心率和軌道傾角被激發(fā),可能會影響原行星的生長,或觸發(fā)多行星系統(tǒng)之間的動力學(xué)機(jī)制,使內(nèi)側(cè)行星通過大偏心率遷移機(jī)制形成熱木星。因此,動力學(xué)不穩(wěn)定過程對行星的最終形成和行星系統(tǒng)的軌道構(gòu)型具有重要的影響。本文主要關(guān)注于多行星系統(tǒng)(胚胎)的動力學(xué)不穩(wěn)定時(shí)標(biāo)以及在此過程中不同的大偏心率遷移機(jī)制形成熱木星的效率。第一章陳述了經(jīng)典核吸積模型中行星形成的若干問題。重點(diǎn)描述了通用氣體盤和固體盤模型,氣體在氣體盤中的運(yùn)動速度,固體在氣體盤中受到的阻尼力,星子或行星胚胎間的碰撞,行星在氣體盤中的遷移等問題。第二章總結(jié)了目前多行星系統(tǒng)中出現(xiàn)的多種大偏心率遷移機(jī)制。從三體哈密頓函數(shù)出發(fā),采用勒讓德函數(shù)展開到四極矩和八極矩項(xiàng),在使用德洛內(nèi)正則根數(shù)表達(dá)的基礎(chǔ)上用vonZiepel變換對兩顆行星的短周期項(xiàng)進(jìn)行平均,從而得到內(nèi)外側(cè)行星的運(yùn)動方程。進(jìn)而陳述了內(nèi)限制三體問題(Kozai-Lidov機(jī)制),外限制三體問題,平面大偏心率遷移機(jī)制(近點(diǎn)連線共振),另外介紹了多行星系統(tǒng)中的長期混沌和角動量缺失的定義。第三章中我們采用降低多行星系統(tǒng)的自由度的EMS系統(tǒng)(等質(zhì)量,等間距)來模擬多行星系統(tǒng)(星子群)的失穩(wěn)過程。首先,對2-5個(gè)折合質(zhì)量在μ=10-2～10-9范圍的多行星系統(tǒng),數(shù)值模擬計(jì)算出在約1010yr內(nèi)穩(wěn)定的臨界行星間距。其次模擬得到初始軌道傾角對折合質(zhì)量范圍μ=10-2～10-9的多行星系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)標(biāo)的影響,并給出一定適用范圍的經(jīng)驗(yàn)公式。最后,考慮星子之間的吸積,重新計(jì)算了星子群平均軌道傾角隨時(shí)間的增長速率,以及達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)偏心率和軌道傾角滿足的關(guān)系。第四章重點(diǎn)研究多行星系統(tǒng)中熱木星的形成。在多行星系統(tǒng)中,熱木星可以通過大偏心率遷移來形成。而這些大偏心率遷移的機(jī)制對行星的初始偏心率,軌道傾角或伴星,殘余盤等有較高要求。而在核吸積模型中,相鄰氣巨星在快速吸積氣體過程中,散射很自然會發(fā)生,而散射后行星的偏心率和軌道傾角能夠達(dá)到觸發(fā)多種動力學(xué)機(jī)制的條件。因此我們從多氣巨星系統(tǒng)的散射出發(fā),對散射后的行星系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類。這樣我們就能清楚的得到每個(gè)大偏心率遷移機(jī)制在熱木星形成中起到的作用,同時(shí)更進(jìn)一步,進(jìn)行大量的數(shù)值模擬,統(tǒng)計(jì)出初始行星個(gè)數(shù),間隔對熱木星形成效率的影響,以及逆行行星的比例和熱木星伴行星的軌道特征。值得注意的是,我們發(fā)現(xiàn)了兩種能夠形成高傾角熱木星的動力學(xué)機(jī)制。第五章研究了一個(gè)有爭議也很有趣的多星系統(tǒng)(99Her)。99Her曾經(jīng)有兩次被觀測到有第三顆恒星,然而之后的兩次觀測卻沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤影。Herschel的重點(diǎn)項(xiàng)目DEBRIS觀測到了這個(gè)多星系統(tǒng)存在一個(gè)殘余盤,根據(jù)動力學(xué)穩(wěn)定分析,研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)殘余盤很可能是處于圍繞雙星的極軌運(yùn)動中。我們基于此,首先假設(shè)有處于極軌的氣體盤存在,并放入30000個(gè)星子,用多種碰撞結(jié)果來統(tǒng)計(jì)星子的吸積效率。我們同時(shí)模擬出雙星平面盤以及單恒星平面盤中星子的吸積效率來進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)雙星極盤