Saskarsmes, kas var mainīt planētu orbītas, izskaidrojot “karstos Jupiterus” un citas negaidītas konfigurācijas
Ievads
Kad planētas veidojas protoplanetārajā diskā, būtu dabiski domāt, ka tās paliek tuvu veidošanās vietām. Tomēr bagātīgi novērojumu dati, īpaši par eksoplanētām, rāda, ka nozīmīgas orbītu izmaiņas bieži notiek: masīvas joviānas planētas var atrasties ļoti tuvu zvaigznei (“karstie Jupiteri”), vairākas planētas var atrasties rezonansēs vai izkliedētas lielās ekscentriskās orbītās, un veselas planētu sistēmas var “pārvietoties” no sākotnējām pozīcijām. Šie procesi, kopumā saukti par orbitālo migrāciju un dynamisko evolūciju, var būtiski ietekmēt veidojošās planētu sistēmas galīgo struktūru.
Galvenie novērojumi
- Karstie Jupiteri: Gāzes milži 0,1 AU vai tuvāk zvaigznei, kas liecina, ka tie kādā veidā migrējuši iekšā pēc vai veidošanās laikā.
- Rezonanses “tīkli”: Daudzu planētu rezonanses (piemēram, TRAPPIST-1 sistēma) liecina par konverģējošu migrāciju vai slāpēšanu diskā.
- Izkliedētie milži: Dažām eksoplanētām ir lielas ekscentriskas orbītas, iespējams, ko izraisa vēlā dinamiskā nestabilitāte.
Izpētot planētu migrācijas mehānismus – no diska un planētu potvynes spēkiem (I un II tipa migrācija) līdz planētu savstarpējai izkliedei – iegūstam svarīgas norādes par planētu sistēmu arhitektūras daudzveidību.
2. Dujų diska noteiktā migrācija
2.1 Sąveika ar dujiniu disku
Esant dujiniam diskui, naujai susiformavusios (ar besiformuojančios) planetos patiria gravitacinius momentus (torques) dėl lokalių dujų srautų. Tokia sąveika gali atimti ar pridėti planetos orbitai kampinio momento:
- Blīvuma viļņi: Planēta diskā rada spirālveida blīvuma viļņus diska iekšējā un ārējā daļā, kas rada kopējo momentu planētai.
- Rezonanses tukšumi: Ja planēta ir pietiekami masīva, tā var izgriezt spraugu (II tipa migrācija), bet, ja mazāka – paliek iegremdēta diskā (I tipa migrācija), izjūtot spēku no blīvuma gradienta.
2.2 I un II tipa migrācija
- I tipa migrācija: Mazāka masa (ap <10–30 Zemes masu) neveido kanālu diskā. Planētu ietekmē dažādi momenti no iekšējā un ārējā diska, kas parasti izraisa kustību iekšā. Ilgums var būt īss (105–106 g.), dažkārt pārāk īss, ja nestabilitātes (diska turbulences, substruktūras) nesamazina migrācijas ātrumu.
- II tipa migrācija: Lielāka planēta (≳Saturna vai Jupitera masas) izgriež kanālu. Šādā gadījumā tās kustība ir saistīta ar diska viskozitātes radīto plūsmu. Ja disks pārvietojas iekšā, planēta pārvietojas iekšā kopā. Kanāli var vājināt galīgo spēku, dažkārt apturot vai atgriežot planētu atpakaļ.
2.3 "Nāves zonas" un spiediena kalni
Reālajos diskos nav vienmērības. "Nāves zonas" (vāji jonizēti, zemas viskozitātes reģioni) var radīt spiediena kalnus vai disku struktūru pārejas, kas var noturēt vai pat mainīt migrācijas virzienu. Tas palīdz izskaidrot, kāpēc dažas planētas neiekļūst zvaigznē un paliek noteiktās orbītās. Novērojumi (piemēram, ALMA gredzeni/atstarpes) var būt saistīti ar šādiem fenomeniem vai ar planētu radītiem izgrauzumiem.
3. Dinamiskās mijiedarbības un izkliedēšana
3.1 Pēc diska fāzes: planētu savstarpējā mijiedarbība
Kad protoplanetārās gāzes izzūd, joprojām paliek planetesimāli un daži (proto)planētas. To gravitācijas ietekme var izraisīt:
- Rezonanses noturēšana: Vairākas planētas var "iestrēgt" viena ar otru vidējā kustības rezonansē (2:1, 3:2 utt.).
- Seculāras mijiedarbības: Lēnas ilgtermiņa leņķa momenta izmaiņas, kas maina ekscentritāti un inklinācijas.
- Izkliedēšana un izmešana: Tuvas sadursmes dēļ viena no planētām var tikt izsviesta ekscentriskā orbītā vai pat izraidīta no sistēmas kā "brīva" starpzvaigžņu planēta.
Šādi notikumi var būtiski mainīt sistēmas struktūru, radot tikai dažas stabilas orbītas ar iespējams lielu ekscentritāti vai slīpumu – tas atbilst dažu eksoplanētu novērojumiem.
3.2 Līdzīgs Vēlais smagā bombardējuma periods
Mūsu Saules sistēmā "Nicas modelis" apgalvo, ka Jupitera un Saturna pāreja uz 2:1 rezonansi izraisīja planētu orbītu pārkārtošanos aptuveni 700 milj. gadu pēc veidošanās, izkliedējot komētas un asteroīdus. Šis notikums, saukts par Vēlo smagā bombardējuma periodu (Late Heavy Bombardment), veidoja sistēmas ārējo arhitektūru. Līdzīgi procesi citās sistēmās var izskaidrot, kā milzu planētas maina orbītas simtiem miljonu gadu laikā.
3.3 Sistēmas ar vairākām milzu planētām
Kad vienā sistēmā eksistē vairākas masīvas planētas, to savstarpējā gravitācijas ietekme var izraisīt haotisku izkliedēšanu vai rezonanses sasaisti. Dažas sistēmas ar vairākām milzu ekscentriskām orbītām atspoguļo šīs sekulārās vai haotiskās pārkārtošanās, kas būtiski atšķiras no stabilās Saules sistēmas konfigurācijas.
4. Interesantākie migrācijas rezultāti
4.1 Karstie Jupiteri
Viens no agrīnajiem pārsteidzošajiem egzoplanētu atklājumiem bija karstie Jupiteri – gāzu milži, kas riņķo aptuveni 0,05 AU attālumā (vai vēl tuvāk) no zvaigznēm, ar orbītu periodiem tikai dažas dienas. Galvenais skaidrojums:
- II tipa migrācija: Milzu planēta veidojas aiz sniega līnijas, bet diska-planētas mijiedarbība virza to uz iekšpusi, un galīgā apstāšanās notiek pie iekšējā diska robežas.
- Lielas ekscentricitātes migrācija: Vai nu planētu izkliedēšana, Kozai–Lidova cikli (divzvaigžņu sistēmās) paaugstina ekscentricitāti, tādējādi paisuma mijiedarbība pietuvina orbītu zvaigznei un noapaļo orbītu.
Novērojumi rāda, ka daudziem karstajiem Jupiteriem ir vidējas vai lielas orbītu inkliucijas, bieži sastopami vieni sistēmā – tas liecina par aktīviem izkliedēšanas procesiem, paisuma efektiem vai abu kombināciju.
4.2 Mazāku masu planētu rezonanses tīkli
Blīvas daudzplanētu sistēmas, novērotas Kepler misijā – piemēram, TRAPPIST-1 ar 7 Zemes izmēra planētām – bieži vien ir precīzi vidējā kustības rezonanses vai to tuvumā esoši attiecību modeļi. Šādas konfigurācijas var noteikt konverģējoša I tipa migrācija, kad mazākas planētas migrē ar dažādiem ātrumiem diskā un galu galā iestrēgst rezonansē. Šie rezonanses veidojumi var būt stabils, ja nenotiek masīva izkliedēšana.
4.3 Spēcīgi izkliedētas un ekscentriskas milzu planētas
Dažās sistēmās vairāk nekā viena milzu planēta var izraisīt spēcīgus izkliedēšanas epizodus pēc diska izzušanas. Šeit ir:
- Viena planēta var tikt izspiesta tālu no zvaigznes vai pat pilnībā izmesta starpzvaigžņu telpā.
- Vēl viena var ieņemt izteikti ekscentrisku orbītu tuvu zvaigznei.
Lielas (e>0,5) ekscentricitātes daudziem egzoplanētām norāda uz haotisku izkliedēšanas procesiem.
5. Migrācijas novērojumu pierādījumi
5.1 Egzoplanētu populāciju pētījumi
Starojuma ātruma un tranzītu pētījumi liecina par daudz karsto Jupitera – gāzu milžu, kuru periodi <10 dienas – ko grūti izskaidrot bez migrācijas uz iekšpusi. Tikmēr daudz super-Zemes vai mini-Neptūnu atrodas 0,1–0,2 AU attālumā, iespējams, migrējuši no ārējās zonas vai veidojušies lokāli blīvā iekšējā diska daļā. Orbītu izmaiņas, rezonanses un ekscentricitātes atklāj, kuri procesi (migrācija, izkliedēšana) var dominēt [1], [2].
5.2 Putekļu atliekas un diska spraugas
Jaunās sistēmās ALMA var parādīt gredzenus un spraugas. Dažas spraugas noteiktā attālumā var būt izgrebtas ar planētām, kas izņem materiālu “kopējās orbītas” rezonansēs, kas attiecīgi saistītas ar II tipa migrāciju. Diska struktūras var arī novērtēt, kur migrācija apstājās (piemēram, spiediena maksimumā) vai “mirstošajā zonā”.
5.3 Tiešā plašu orbītu milžu attēlošana
Dažas tiek atrastas plašās orbītās (piemēram, HR 8799 ar četrām ~5–10 Jupiteru masu planētām ~desmitu AV attālumā), kas liecina, ka ne visas milzu planētas ceļo dziļumā; to var noteikt mazāka diska masa vai cita diska iznīcināšana. Šādi jauni spoži planētu attēli atklāj, ka ne viss beidzas ar tuvām orbītām, un migrācijas varianti ir ļoti dažādi.
6. Teorētiskie migrācijas modeļi
6.1 I tipa migrācijas formalizācija
Vieglākām planētām, kas iegremdētas gāzu diskā, moments rodas no Lindblada rezonansēm un korotācijas rezonansēm:
- Iekšējais disks: Parasti izraisa ārējo spēku (outward torque).
- Ārējais disks: Parasti spēcīgāka iekšā vērsta spēka (inward torque) ietekme.
Galīgā spēku līdzsvars parasti nozīmē kustību iekšā. Tomēr diska temperatūras/ blīvuma gradienti, korotācijas momenta piesātinājuma efekti vai magnētiski aktīvās “mirstošās zonas” var šo migrāciju mazināt vai tieši pretēji. Literatūrā tiek izmantoti dažādi modeļi (Baruteau, Kley, Paardekooper u.c.), kas uzlabo prognozes [3], [4].
6.2 II tipa migrācija un spraugas veidojošās planētas
Liela masa (≥0,3–1 Jupiteru masa), kas izveido spraugu diskā, sasaista orbītu ar diska viskozitātes evolūciju. Tas ir lēnāks process, bet, ja zvaigzne joprojām akrēcē ievērojami, planēta var lēnām slīdēt iekšā 105–106 gadi, skaidrojot, kā joviskās planētas var nonākt tuvu zvaigznei. Tarp telpa nav pilnīgi tukša, tāpēc daļa gāzu var plūst cauri planētas orbītai.
6.3 Kombinētie mehānismi un hibrīdie scenāriji
Reālās sistēmās iespējamas vairākas stadijas: sākas I tipa migrācija sub-joviskajai kodolam, pēc tam pāriet uz II tipa migrāciju, kad masa ir pietiekami liela, plus iespējamas rezonanses mijiedarbības ar citām planētām. Tam pievienojas diska termodinamika, MHD vēji, ārējās perturbācijas, tāpēc katras sistēmas migrācijas ceļš kļūst unikāls.
7. Pēc diska izzušanas: dinamiskā nestabilitāte
7.1 Gāzes vairs nav, bet planētas joprojām mijiedarbojas
Pabeidzoties gāzu fāzei, diska izraisītā migrācija beidzas. Tomēr planētu un palikušo planetesimāļu gravitācijas mijiedarbība turpinās:
- Rezonanses saplūšanas: Planētas var kļūt nestabilas, ja rezonanses viena otru ietekmē ilgtermiņā.
- Sekulāras mijiedarbības: Lēni maina orbītu ekscentricitāti, inkliukcijas.
- Haotisks izkliedējums: Ekstrēmos gadījumos planēta tiek izmesta no sistēmas vai nonāk augsta ekscentricitātes orbītā.
7.2 Pierādījumi no mūsu Saules sistēmas
Nicas modelis apgalvo, ka Jupitera un Saturna pāreja caur 2:1 rezonansi izraisīja orbitālas pārmaiņas, izkliedēja ārējā reģiona ķermeņus, iespējams, izraisīja Vēlo triecienu periodu. Urāns un Neptūns varbūt pat apmainījās vietām. Tas rāda, kā milzu planētu savstarpējā mijiedarbība var pārkārtot orbītas ar būtiskām sekām mazāku ķermeņu izdzīvošanai.
7.3 Plūdmaiņu noapaļošana
Planētas, kas izkliedētas ciešās orbītās, var piedzīvot plūdmaiņu berzi no zvaigznes, kas pakāpeniski noapaļo orbītas. Tā var veidoties karstie Jupiteri ar slīpām (vai pat retrogrādām) orbītām, kā rāda novērojumi. Kozai–Lidova cikli dubultās sistēmās arī var radīt lielas inkliukcijas un palīdzēt plūdmaiņai tuvināt orbītas.
8. Ietekme uz planētu sistēmām un dzīvotspēju
8.1 Arhitektūras veidošanās
Migrējošie gāzes milži, ejot cauri iekšējiem reģioniem, var izsviest vai izkliedēt mazus ķermeņus. Tas var novērst vai traucēt Zemes tipa planētu veidošanos stabilās orbītās. No otras puses, ja milzu planētas paliek stabilās orbītās, pārāk netraucējot iekšējo daļu, var veidoties akmeņainas planētas dzīvotnē.
8.2 Ūdens piegāde
Migrācija arī ļauj ārējām planetesimālēm vai mazākiem ķermeņiem atgriezties uz iekšpusi, nesot ūdeni un gaistošas vielas. Daļu no Zemes ūdens varēja atnest Jupitera vai Saturna agrīnās migrācijas radītie izkliedes procesi.
8.3 Eksoplanētu novērojumi: daudzveidība un jauni atklājumi
Ņemot vērā plašo eksoplanētu orbītu spektru – no “karstajiem Jupiteriem” līdz super-Zemes rezonanses tīkliem vai ekscentriskiem milžiem – ir skaidrs, ka migrācija un dinamiskā evolūcija spēlē būtisku lomu. Retas orbītas (piemēram, ļoti īslaicīgas planētas) vai haotiskas sistēmas liecina, ka katrai zvaigznei ir sava vēsture, ko nosaka diska īpašības, laiks un nejauši izkliedes epizodi.
9. Nākotnes pētījumi un misijas
9.1 Augstas izšķirtspējas diska un planētu mijiedarbības attēlošana
Turpinot ALMA, ELT (Ļoti Lielo Teleskopu) un JWST novērojumus, var tieši redzēt diskus ar iegremdētām protoplanētām. Gredzenu/atstarpju izmaiņu novērošana vai gāzu ātruma lauku perturbāciju mērījumi atklāj tiešus I/II tipa migrācijas pēdas.
9.2 Gravitācijas viļņu novērojumi?
Lai gan tieši tas nav par planētu veidošanos, gravitācijas viļņu detektori būtībā varētu (īpaši grūti) atklāt tuvumā esošas planētu sistēmas ap nobriedušām zvaigznēm. Aktuālāka joma ir radiālā ātruma un tranzītu datu mijiedarbība, precizējot karsto Jupiteru vai rezonanses sistēmu izcelsmi migrācijas ceļā.
9.3 Teorētiskie un skaitliskie uzlabojumi
Uzlabojot disku turbulences, radiācijas pārneses un MHD modeļus, mēs varam precīzāk novērtēt migrācijas ātrumu. Daudzplanētu N-korpusu simulācijas, kas ietver uzlabotus disku-planētu mijiedarbības momentus, palīdzēs saskaņot milzīgos datus no arvien jaunu eksoplanētu orbītu daudzveidības ar teorētiskajiem modeļiem.
10. Secinājums
Orbitālā dinamika un migrācija nav vienkārši teorētiska sīkums, bet galvenā spēka, kas veido planētu sistēmu arhitektūru. Diska un planētas mijiedarbība var virzīt planētas uz iekšpusi (tādējādi rodas "karstie Jupiteri") vai uz āru, nosakot galīgo izvietojumu un iespējamas rezonanses konfigurācijas. Vēlāk, pēc diska izzušanas, planētu izkliedēšana, rezonanses mijiedarbība un paisuma efekti turpina regulēt orbītas, dažkārt izraisot planētu lēcienus uz ekscentriskām orbītām vai ciešām trajektorijām. Dati – sākot no daudziem karstajiem Jupiteriem līdz precīzām vairāku eksoplanētu rezonansēm – apstiprina, ka šie procesi patiešām darbojas.
Izprotot, kā notiek šie migrācijas posmi, mēs paskaidrojam, kāpēc dažās zvaigznēs var pastāvēt stabilas Zemes tipa planētu apstākļi, bet citur milzīgie Jupiteri "sēž" tuvu zvaigznei vai veido izkliedētu arhitektūru. Katrs jauns eksoplanētas atklājums papildina mozaīku, uzsverot, ka visām sistēmām nav viena veidola – drīzāk disku fizikas, planētu masu un nejaušu mijiedarbību krustojums rada katras planētu saimes unikālu vēsturi.
Saites un turpmākā lasīšana
- Kley, W., & Nelson, R. P. (2012). “Planētu un disku mijiedarbība un orbitālā evolūcija.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50, 211–249.
- Baruteau, C., et al. (2014). “Planētu un disku mijiedarbība un planētu sistēmu agrīnā attīstība.” Protostars and Planets VI, University of Arizona Press, 667–689.
- Lin, D. N. C., Bodenheimer, P., & Richardson, D. C. (1996). “51 Pegasi planētas pavadones orbitālā migrācija uz tās pašreizējo atrašanās vietu.” Nature, 380, 606–607.
- Weidenschilling, S. J., & Marzari, F. (1996). “Gravitācijas izkliedēšana kā iespējams milzu planētu izcelsmes avots pie zvaigžņu tuvuma.” Nature, 384, 619–621.
- Rasio, F. A., & Ford, E. B. (1996). “Dinamiskās nestabilitātes un eksoplanētu sistēmu veidošanās.” Science, 274, 954–956.
- Chatterjee, S., Ford, E. B., Matsumura, S., & Rasio, F. A. (2008). “Planētu-planetāro sadursmju dinamiskie rezultāti.” The Astrophysical Journal, 686, 580–598.
- Crida, A., & Morbidelli, A. (2012). “Caurumu atvēršana ar milzu planētu protoplanetārajā diskā un ietekme uz planētu migrāciju.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 427, 458–464.