Orbitalna dinamika i migracija

Kada opisuju orbitu, astronomi izdvajaju nekoliko svojstava koja se ne mogu opisati samo udaljenošću od zvijezde.

Ovo su tri orbitalna elementa koja se koriste za opisivanje kretanja tijela.[2]

Približavanje je povezano s razmjenama

U slučaju gotovo kružne orbite, kada se mase planete i zvijezde ne mijenjaju, povećanjem ugaonog momenta orbita se može širiti, a njegovim smanjenjem skupljati. Moment sile je brzina promjene ugaonog momenta. Veličinu ekscentrične orbite ne određuje samo ugaoni moment – važna je i orbitalna energija.[3]

Gravitacija planete pokreće spiralne talase gustine u okolnom disku. Tako nastala struktura gasova zauzvrat privlači planetu. Zbog ove razmjene orbita se može promijeniti, a da se planeta ne sudari s drugim čvrstim tijelom.[1]

Prema jednostavnom modelu diska, uticaj unutrašnjih spiralnih talasa obično povećava ugaoni moment, a vanjskih ga smanjuje. Važna je neravnoteža ovih uticaja, kao i moment sile gasova u neposrednoj blizini planetarne orbite.[1]

Migracija tipa I: planeta u gasnom disku

Migracija tipa I opisuje režim u kojem planeta samo neznatno mijenja okolni disk. Brzina i smjer migracije zavise od gustine, temperature i debljine planete i diska. Ne postoji univerzalna gornja granica mase niti fiksno trajanje migracije prema unutra.[1]

Gasovi u blizini orbite stvaraju korotacijski moment sile. Na ovaj član utiču gradijenti temperature, entropije i gustine; pod odgovarajućim uslovima može uravnotežiti moment sile spiralnih talasa i omogućiti migraciju prema van.[4]

Raspor mijenja interakciju

S porastom uticaja planete, ona može preraspodijeliti gasove u disku i formirati djelimičan ili dubok raspor. Rezultat zavisi od odnosa mase planete i zvijezde, debljine diska, pritiska i prenosa ugaonog momenta. Ne određuje ga jedna neizbježna granica mase Saturna ili Jupitera.[5]

Migracija tipa II tradicionalno opisuje režim u kojem se otvara procjep. Planeta i dalje reaguje na gravitacijske obrtne momente. Njeno kretanje ne mora pratiti unutrašnji tok diska viskoznim strujanjem, a gas može prolaziti kroz procjep. Sam procjep niti garantuje sporu migraciju niti određuje njen smjer.[6]

Rezonansa srednjeg kretanja povezuje orbitalne frekvencije. Na primjer, kod omjera perioda bliskog 2:1, unutrašnja planeta napravi približno dva kruga za jedan krug vanjske planete. Ponavljane gravitacijske interakcije tada mogu uskladiti njihove relativne orbitalne faze.[10]

Sam omjer perioda blizak omjeru cijelih brojeva ne dokazuje rezonansu. Astronomi razmatraju kombinacije orbitalnih uglova i provjeravaju osciliraju li oni unutar ograničenog raspona dok planete međusobno djeluju – to se naziva libracija.[10]

Konvergentna migracija može približiti planete

Ako planete migriraju različitim brzinama, razmak između orbita može se smanjivati. Uz odgovarajuću migraciju i prigušivanje, mogu biti zarobljene u rezonansu i nastaviti se kretati kao povezana grupa. Modeli tako mogu stvoriti kompaktne lance; ne garantuje svako približavanje da će planete biti zarobljene.[11]

Rezonantna struktura ne mjeri jednoznačno pređenu udaljenost. Modeliranje pokazuje da neke uočene lance mogu stvoriti migracija na velike udaljenosti, kraća preuređenja ili prigušivanje ekscentriciteta uz male promjene veličine orbite.[14]

Neki lanci opstaju, dok drugi postaju nestabilni kako prigušenje slabi ili usljed daljnjih interakcija. Planete u njima mogu se sudariti i uspostaviti manje uređen raspored. Raspršivanje gasa ne dovodi do raspada svih rezonantnih sistema.[11]

Nakon što gas nestane, njegovi momenti sile više ne pokreću migraciju. Preostale planete i manja tijela i dalje mogu razmjenjivati energiju i ugaoni moment. Različite interakcije izazivaju različite promjene.

Sekularne interakcije: spore promjene oblika i orijentacije

Sekularna evolucija opisuje efekte usrednjene kroz veliki broj orbita. U konzervativnoj aproksimaciji planete mogu razmjenjivati ugaoni moment i mijenjati ekscentricitete, nagibe i orijentacije orbita, dok velike poluose ostaju približno nepromijenjene. Zato promjena ekscentriciteta sama po sebi ne znači migraciju prema unutra.[15]

Rasijanje: bliski prolazi koji preuređuju sistem

Kada se planete blisko susretnu, njihova gravitacijska interakcija može naglo promijeniti veličine orbita. Mogući ishodi uključuju ekscentričnije ili nagnutije orbite, sudare i izbacivanje planete. Izbačena planeta više nije gravitacijski vezana za svoju zvijezdu. Takvi susreti mogu se odvijati u različitim fazama, uključujući i vrijeme dok još ima gasa u disku.[16]

Veliki ekscentricitet ukazuje na orbitalno pobuđivanje, ali ne utvrđuje jedini uzrok. Pod odgovarajućim uslovima, sekularne interakcije također mogu stvoriti veoma velike ekscentricitete.[16], [15]

Planetezimali: mnogo malih susreta čiji se učinci sabiraju

Preostala čvrsta tijela mogu poticati migraciju tako što ih planete rasijavaju. Svaki susret prenosi malu količinu orbitalne energije i ugaonog momenta. Dugotrajni asimetrični tok susreta može postepeno pomjeriti planetu prema unutra ili prema van čak i nakon što se gas rasprši.[17]

Vrući Jupiteri su džinovske planete s veoma kratkim orbitalnim periodima - najčešće svega nekoliko dana. Među predloženim scenarijima njihovog nastanka su kretanje kroz gasni disk, kasnija migracija s velikim ekscentricitetom i nastanak blizu zvijezde. Sama sadašnja blizina zvijezdi ne omogućava da se odredi jedinstven put nastanka za svaku planetu.[18]

Prvo približiti najbližu tačku orbite zvijezdi

Zbog rasijanja ili dugotrajnih gravitacijskih poremećaja, orbita se može izdužiti toliko da udaljenost periapsisa postane mala. Tokom Kozai–Lidovljeve evolucije, pravilno postavljen udaljeni pratilac može izazvati velike promjene ekscentriciteta i nagiba orbite. Taj pratilac može biti planeta ili zvijezda; za ovaj mehanizam nisu potrebne tri zvijezde.[15]

Zatim – smanjiti energiju orbite usljed plime i oseke

Kada planeta proleti blizu zvijezde, plimne sile je deformišu. Usljed disipacije dio orbitalne energije pretvara se u toplotu. Ako se planeta ne raspadne, a disipacija je efikasna, ponovljena približavanja mogu smanjiti orbitu i učiniti je kružnom. Kada se orbita usljed plime i oseke učini kružnom u gotovo izolovanom sistemu, ugaoni moment orbite može ostati gotovo nepromijenjen, iako se gubi energija.[19]

Veoma ekscentrična orbita čiji je peri centar daleko od zvijezde ne mora nužno biti podložna značajnoj migraciji usljed plime i oseke. Dovoljno se približiti, raspršiti dovoljno energije i ostati nesrušen – to su zasebni uslovi.[18]

U modelima vanjskog Sunčevog sistema, migracija izazvana planetesimalima i međusobna interakcija džinovskih planeta koriste se za objašnjenje obilježja današnjih orbita i populacija malih tijela. Na primjer, Neptunova migracija prema van može zarobiti objekte u rezonancije i ostaviti prepoznatljive obrasce u Kuiperovom pojasu.[17]

Model iz Nice obuhvata čitavu grupu scenarija razvoja

U scenarijima modela iz Nice, nazvanog po francuskom gradu, džinovske planete u početku su raspoređene bliže jedna drugoj, a zatim se prati njihova migracija i razvoj nestabilnosti, što vodi do šireg sistema. Različite verzije razlikuju se po početnom skupu planeta, rezonancijama, bliskim susretima i vremenu događaja. Sačuvana struktura sistema omogućava da se ograniče te mogućnosti, ali ne pruža potpun zapis događaja.[17]

Rana nestabilnost, dok su planete zemaljskog tipa još rasle, mogući je tok razvoja koji se istražuje simulacijama. Često ponavljanu tvrdnju da se poremećaj sigurno dogodio otprilike 700 miliona godina nakon formiranja ne treba smatrati utvrđenim datumom.[20]

Tragovi udara sačuvani na Mjesecu mogu se tumačiti i na različite načine. Kasno intenzivno bombardovanje u kratkom periodu i njegovo povezivanje s nestabilnošću džinovskih planeta nisu potvrđene činjenice.[21]

Džinovske planete u kretanju mogu preraspodijeliti sastavne materijale stjenovitih planeta

Džinovska planeta u migraciji može ometati kretanje manjih tijela, okupljati ih ili raspršivati, ali ne mora spriječiti svako kasnije formiranje stjenovitih planeta. Simulacije pokazuju da se od preostalog materijala mogu formirati planete nalik Zemlji i dok džinovska planeta migrira i nakon njene migracije.[22]

Rastući džinovski planeti mogu također raspršiti planetezimale koje sadrže vodu u unutrašnji dio sistema. To može doprinijeti dopremanju vode na planete nalik Zemlji, a za to nije neophodno da se svako dopremljeno tijelo kretalo jednom određenom putanjom migracije. Samo dopremanje vode ne dokazuje da je površina pogodna za život.[23]

Koristan model mora istovremeno objasniti više aspekata posmatranja: orbitalne periode, ekscentricitete, satelite, rezonantne odnose i strukturu mladih diskova. Jedan upadljiv pokazatelj rijetko otkriva čitav slijed događaja.

Struktura diska, rezonantna dinamika i povlačenje orbite omogućavaju proučavanje različitih procesa i epoha. Treba ih upoređivati pomoću modela koji daju predviđanja za svako mjerenje.

Provjerite cijeli sistem

U istraživanju WASP-12b, mjerenja vremena tranzita i pomračenja pomogla su da se povlačenje orbite razlikuje od promjene orijentacije ekscentrične orbite. To pokazuje koliko je važno kombinovati mjerenja prije pripisivanja pojave određenom mehanizmu.[25]

Istraživanja mladih sistema, posmatranja diskova i modeliranje pomažu da se odredi okruženje u kojem može doći do migracije. Proučavanjem starijih sistema mjerenjima orbita provjeravaju se preostale konfiguracije. Kombinovanjem ovih pravaca dokaza, vjerovatna historija postaje naučno objašnjenje koje ispunjava strože zahtjeve.