Naarmate planetaire systemen evolueren, zwaartekrachtinteracties tussen planeten kunnen sommige ervan in excentrische elliptische banen rond de moederster werpen, of zelfs helemaal uit het systeem. Kleinere planeten zouden gevoeliger moeten zijn voor deze zwaartekrachtverstrooiing, toch zijn er veel gasreuzen exoplaneten waargenomen met excentrische banen die heel anders zijn dan de ruwweg cirkelvormige banen van de planeten in ons eigen zonnestelsel.

Verrassend genoeg, de planeten met de hoogste massa zijn meestal die met de hoogste excentriciteiten, ook al zou de traagheid van een grotere massa het moeilijker moeten maken om uit zijn oorspronkelijke baan te komen. Deze contra-intuïtieve observatie zette astronomen van UC Santa Cruz ertoe aan de evolutie van planetaire systemen te onderzoeken met behulp van computersimulaties. hun resultaten, gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Astrofysische journaalbrieven , suggereren een cruciale rol voor een fase van gigantische impact in de evolutie van planetaire systemen met hoge massa, wat leidt tot botsingsgroei van meerdere reuzenplaneten met nauwe banen.

"Een gigantische planeet wordt niet zo gemakkelijk in een excentrische baan verspreid als een kleinere planeet, maar als er meerdere reuzenplaneten in de buurt van de moederster zijn, hun zwaartekrachtinteracties verstrooien ze waarschijnlijker in excentrische banen, " legde eerste auteur Renata Frelikh uit, een afgestudeerde student astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz.

Frelikh voerde honderden simulaties uit van planetaire systemen, beginnend met elk 10 planeten in cirkelvormige banen en het variëren van de initiële totale massa van het systeem en de massa's van individuele planeten. Terwijl de systemen zich gedurende 20 miljoen gesimuleerde jaren ontwikkelden, dynamische instabiliteit leidde tot botsingen en fusies om grotere planeten te vormen, evenals zwaartekrachtinteracties die sommige planeten uitwierpen en andere in excentrische banen verspreidden.

Door de resultaten van deze simulaties gezamenlijk te analyseren, de onderzoekers ontdekten dat de planetenstelsels met de meeste initiële totale massa de grootste planeten produceerden en de planeten met de hoogste excentriciteiten.

"Ons model verklaart natuurlijk de contra-intuïtieve correlatie van massa en excentriciteit, ' zei Frelikh.

Co-auteur Ruth Murray-Clay, de Gunderson hoogleraar theoretische astrofysica aan de UC Santa Cruz, zei dat de enige niet-standaard aanname in hun model is dat er verschillende gasreuzenplaneten in het binnenste deel van een planetair systeem kunnen zijn. "Als je die veronderstelling maakt, al het andere gedrag volgt, " ze zei.

Volgens het klassieke model van planeetvorming, gebaseerd op ons eigen zonnestelsel, er is niet genoeg materiaal in het binnenste deel van de protoplanetaire schijf rond een ster om gasreuzenplaneten te maken, dus alleen kleine rotsachtige planeten vormen zich in het binnenste deel van het systeem en reuzenplaneten vormen verder weg. Toch hebben astronomen veel gasreuzen ontdekt die dicht bij hun gastheersterren cirkelen. Omdat ze relatief eenvoudig te detecteren zijn, deze "hete Jupiters" waren verantwoordelijk voor de meeste vroege ontdekkingen van exoplaneten, maar ze kunnen een ongewoon resultaat zijn van planeetvorming.

"Dit kan een ongebruikelijk proces zijn, "Zei Murray-Clay. "We suggereren dat het waarschijnlijker is dat het gebeurt wanneer de initiële massa in de schijf hoog is, en dat gigantische planeten met een hoge massa worden geproduceerd tijdens een fase van gigantische inslagen."

Deze fase van gigantische inslagen is analoog aan de laatste fase in de assemblage van ons eigen zonnestelsel, toen de maan werd gevormd in de nasleep van een botsing tussen de aarde en een andere planeet. "Vanwege onze vooringenomenheid in het zonnestelsel, we hebben de neiging om te denken dat inslagen gebeuren met rotsachtige planeten en uitwerpen als gebeuren met reuzenplaneten, maar er is een heel spectrum van mogelijke uitkomsten in de evolutie van planetenstelsels, ' zei Murray Clay.

Volgens Frelikh, botsingsgroei van reuzenplaneten met hoge massa zou het meest efficiënt moeten zijn in de binnengebieden, omdat ontmoetingen tussen planeten in de buitenste delen van het systeem eerder leiden tot uitstoot dan tot fusies. Fusies die planeten met een hoge massa produceren, zouden hun hoogtepunt moeten bereiken op een afstand van ongeveer 3 astronomische eenheden (AU, de afstand van de aarde tot de zon), ze zei.

"We voorspellen dat de reuzenplaneten met de hoogste massa zullen worden geproduceerd door fusies van kleinere gasreuzen tussen 1 en 8 AU van hun gastheersterren, Frelikh zei. "Exoplanetonderzoeken hebben enkele extreem grote exoplaneten ontdekt, die 20 keer de massa van Jupiter nadert. Het kan veel botsingen kosten om die te produceren, dus het is interessant dat we deze fase van gigantische impact in onze simulaties zien."