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前觀測到的系外多行星系統(tǒng)已經(jīng)達到近六百個。天文學家發(fā)現(xiàn)系外行星以及系外行星系統(tǒng)的軌道構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),因為在非?？拷餍堑奈恢?難以存在足夠多的固體和氣體物質(zhì)當?shù)匦纬蔁崮拘?。目?觀測到熱木星大部分是孤獨的,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)之間的動力學機制,使內(nèi)側(cè)行星通過大偏心率遷移機制形成熱木星。因此,動力學不穩(wěn)定過程對行星的最終形成和行星系統(tǒng)的軌道構型具有重要的影響。本文主要關注于多行星系統(tǒng)(胚胎)的動力學不穩(wěn)定時標以及在此過程中不同的大偏心率遷移機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。重點描述了通用氣體盤和固體盤模型,氣體在氣體盤中的運動速度,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,在使用德洛內(nèi)正則根數(shù)表達的基礎上用vonZiepel變換對兩顆行星的短周期項進行平均,從而得到內(nèi)外側(cè)行星的運動方程。進而陳述了內(nèi)限制三體問題(Kozai-Lidov機制),外限制三體問題,平面大偏心率遷移機制(近點連線共振),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)時標的影響,并給出一定適用范圍的經(jīng)驗公式。最后,考慮星子之間的吸積,重新計算了星子群平均軌道傾角隨時間的增長速率,以及達到平衡狀態(tài)時偏心率和軌道傾角滿足的關系。第四章重點研究多行星系統(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到觸發(fā)多種動力學機制的條件。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)進行統(tǒng)計分類。這樣我們就能清楚的得到每個大偏心率遷移機制在熱木星形成中起到的作用,同時更進一步,進行大量的數(shù)值模擬,統(tǒng)計出初始行星個數(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機制。第五章研究了一個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的重點項目DEBRIS觀測到了這個多星系統(tǒng)存在一個殘余盤,根據(jù)動力學穩(wěn)定分析,研究發(fā)現(xiàn)這個殘余盤很可能是處于圍繞雙星的極軌運動中。我們基于此,首先假設有處于極軌的氣體盤存在,并放入30000個星子,用多種碰撞結(jié)果來統(tǒng)計星子的吸積效率。我們同時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行比對,發(fā)現(xiàn)雙星極盤