A bolygóvándorlás egy olyan folyamat, amely akkor következik be, amikor egy csillag bolygója vagy más műholdja kölcsönhatásba lép egy gázkoronggal vagy planetezimálokkal , aminek következtében a pálya paraméterei, különösen a fél- főtengely megváltoznak . A bolygók vándorlása magyarázhatja a forró Jupiterek létezését: olyan exobolygók, amelyek tömege a Jupiter tömegének nagyságrendje, de a csillag körüli forgási periódusok mindössze néhány napig tartanak. A protoplanetáris korongból történő bolygóképződés általános elmélete azt jósolja, hogy az ilyen bolygók nem alakulhatnak ki ilyen közel a csillagokhoz, mert ilyen kis távolságokon nincs elég anyag, és a hőmérséklet túl magas a sziklás vagy jeges planetezimálok kialakulásához.
Kiderült az is, hogy a földi tömegű bolygók gyors migráción eshetnek át a rendszer belső részébe, ha egy gázkorong fennállása során keletkeznek, ez befolyásolhatja a (kb. 10 tömegű) óriásbolygók magjainak kialakulását. Földtömegek), ha az eredeti maghoz tapadnak.
A fiatal csillagok körüli protobolygók gázkorongok létezését több millió éve figyelték meg. Ha a korongban a Föld tömegének nagyságrendi nagyságrendű bolygók képződnek, akkor a bolygók szögimpulzust cserélhetnek a korongban lévő környező gázzal, így a bolygók keringési paraméterei fokozatosan változhatnak. Bár ilyen esetekben általában a lokálisan izotermikus korongba való migráció történik, az entrópia gradienssel rendelkező lemezeknél a külső régióba való migráció megtörténhet.
A bolygórendszer kialakulásának késői szakaszában a hatalmas protobolygók és planetezimálok kaotikusan, gravitációs kölcsönhatásba lépnek egymással, aminek következtében sok planetezimál kerülhet más pályára. Ebben az esetben a bolygók és a planetezimálok között szögimpulzus-csere történik, és migráció történik (befelé vagy kifelé). Feltételezik, hogy a Neptunusz kifelé vándorlása felelős a Plútó és más plutinók későbbi rezonanciás befogásáért a Neptunusszal 3:2 arányú orbitális rezonanciába.
Az ilyen típusú orbitális vándorlás a korongban lévő hatalmas test és a koronggáz közötti gravitációs erő miatt következik be. A gáz egyenlő erővel hat egy hatalmas tárgyra. Ez megváltoztatja a bolygó pályájának szögimpulzusát, ami a pálya elemeinek, például a fél-főtengelynek a megváltozásához vezet (de minden elem változhat). A fél-főtengely időbeli növekedése a bolygónak a rendszer külső régiójába, míg a csökkenés a belső régióba való vándorlásához vezethet.
I. típusú migrációA kisbolygók részt vesznek az I. típusú vándorlásban, amelyet a feltörekvő hullámokból származó momentumok irányítanak a Lindblad-rezonanciák és a korotációs régiókban. A Lindblad-rezonancia a környező gázban sűrűséghullámok kialakulását eredményezi a bolygó pályáján és kívül. A legtöbb esetben a külső spirálhullám nagyobb hatást gyakorol, mint a belső hullám, így a bolygó elveszti szögimpulzusát, és megközelíti a csillagot. A vándorlás sebessége arányos a bolygó tömegével és a gáz helyi sűrűségével. A jellemző vándorlási idő a gáznemű korong élettartamához képest rövid (millió év). [1] A korotációs régiók további befolyása a bolygó keringési periódusához hasonló periódussal mozgó gáz hatására jelentkezik. A bolygóhoz tartozó referenciakeretben a gáz patkópályán mozog , irányt változtatva, ahogy elölről vagy hátulról közeledik a bolygóhoz. A bolygó előtt irányt változtató gáznak nagy félig nagy tengelye van, és hidegebb és sűrűbb lehet, mint a bolygó mögött irányt változtató gáz. Ebben az esetben a bolygó előtt egy megnövekedett gázsűrűségű, a bolygó mögött pedig egy alacsony sűrűségű régió jelenhet meg, miközben a szögimpulzus megváltozik. [2] [3] A bolygó tömege, amelynél a migráció az I. típus szerint halad, az u nyomás helyi függőleges skálájától függ. kisebb mértékben a gáz kinematikai viszkozitására. [1] [4] Meleg és viszkózus korong esetén nagy tömegű bolygók esetén I-es típusú migráció léphet fel. Lokálisan izotermikus korongokban és gyenge sűrűség- és hőmérsékletgradiens esetén a korotációs régiók hatása kevésbé erőteljes, mint a Lindblad-rezonanciák hatása. [5] [4] A korong külső részére migrációs területek a bolygótömegek és a lemezparaméterek bizonyos tartományában létezhetnek, helyi izoterm vagy nem izoterm korongok esetén is. [4] [6] Az ilyen régiók elhelyezkedése a lemez evolúciós szakaszától függően változhat. A lokálisan izotermikus korongok olyan területeken találhatók, ahol a sugárirányú sűrűség és/vagy nyomásgradiens nagy, több függőleges nyomásskála nagyságrendjében. Az I. típusú migráció egy lokálisan izotermikus korongban összhangban van néhány, a Kepler -teleszkóp által megfigyelt exobolygó kialakulásával és hosszú távú evolúciójával . [7] A szilárd anyag gyors felszaporodása egy bolygóra szintén további lendületet hozhat létre, amelyben a bolygó teljes szögimpulzusa megnő. [nyolc]
típusú migrációHa a bolygó elég masszív ahhoz, hogy űrt hozzon létre a gáznemű korongban, akkor mozgása II. típusú migrációnak minősül. A perturbáló bolygó kellően nagy tömege esetén az általa a gázra kifejtett árapályhatás a szögmomentumot a bolygó pályáján kívüli gázra adja át, míg a bolygó pályáján belül a szögimpulzus csökken, aminek következtében a gázt kisöpörnek a bolygó pályájának közeléből. Az I. típusú migráció során a gáz viszkozitásának hatása megakadályozza a gáz kisöprését az újraeloszlás és az éles sűrűségi gradiens simítása miatt. De ha az ütközés olyan erős lesz, hogy meghaladja a viszkozitás befolyását a bolygó közelében, akkor egy csökkentett sűrűségű gyűrű alakú régió képződik. A gyűrű szélessége a gáz hőmérsékletétől és viszkozitásától, valamint a bolygók tömegétől függ. Egy egyszerű forgatókönyv szerint, amikor a gáz nem lépi át a gyűrűt, a bolygók vándorlása a korong viszkozitásának időbeli változásától függ. A korong belső részében a bolygó spirálisan halad a csillag felé, az anyagnak a csillagra való felhalmozódásával együtt. Ebben az esetben a migráció általában lassabb, mint az I. típusban. A lemez külső részén a migráció a csillagtól távolodhat, ha a lemez tágul. A Jupiter tömegű bolygó egy közönséges protoplanetáris korongban feltehetően II. típusú vándorlást hajt végre, az I. típusból a II. típusba való átmenet a Szaturnusz tömegének nagyságrendjében történik. [9] [10] A II. típusú migráció magyarázatot adhat a forró Jupiterek létezésére . [11] Reálisabb helyzetekben, amíg a tárcsa hőmérsékleti és viszkozitási feltételei nem érik el a szélsőséges értékeket, a gyűrű alakú tartományon keresztül gáz áramlik. [12] A tömegáram következtében a bolygóra ható, a korong lokális tulajdonságaitól függő erőmomentumok, illetve az I. típusú vándorlás esetén is vannak momentumok. A viszkózus korongokban a II. típusú migráció az általános elméleten belül a II. típusú migráció módosított változataként írható le. [10] [4] Az I. típusú migrációs rendszerről a II. típusú migrációs rendszerre való átmenet általában meglehetősen zökkenőmentes, de a zökkenőmentes átállástól eltéréseket találtak. [9] [13] Bizonyos helyzetekben, amikor a bolygók nem körkörös perturbációkat hoznak létre a környező gázkorongban, a II-es típusú migráció lelassul, megállhat vagy irányt változtathat. [tizennégy]
III típusú migrációEz a migrációs mód a korong és a bolygók paraméterei közötti arányok limitált eseteiben létezik, és nagyon rövid időskála jellemzi. [15] [16] [10] Bár egyes esetekben ezt a migrációs módot " futó vándorlásnak " nevezik, a migráció sebessége nem feltétlenül növekszik az idő múlásával. [15] [16] A III-as típusú vándorlást a bolygó librációs tartományában csapdába ejtő gáz együttes keringési momentumai mozgatják a bolygó kezdeti viszonylag gyors sugárirányú mozgása során. A bolygó sugárirányú mozgása a gázt a pálya irányába tolja el, ami aszimmetriát hoz létre a gázsűrűségben a bolygó vezető és lemaradt féltekéi közelében. [10] [1] A III-as típusú migráció kellően masszív korongokban és olyan bolygók esetében megy végbe, amelyek csak részleges üregeket képesek létrehozni a gáznemű korongban. [1] [10] [15] A korai értelmezések szerint a III-as típusú migráció a bolygó pályáján a bolygó sugárirányú mozgásával ellentétes irányú gázáramlásokkal volt összefüggésbe hozható. [15] A külső régióba való gyors mozgás időnként rövid időre megtörténhet, az óriásbolygókat távoli pályára helyezik, abban az esetben, ha a II. típusú migráció nem juttatja vissza hatékonyan a bolygókat. [17]
Egy másik lehetséges mechanizmus, amely a bolygókat nagyobb pályasugár felé mozgathatja, a gravitációs szóródás a nagyobb bolygókról, vagy protoplanetáris korong jelenlétében a gravitációs szóródás a korong megnövekedett sűrűségű területeiről. [18] A Naprendszer esetében az Uránusz és a Neptunusz magasabb pályára szóródhatott a Jupiterrel és/vagy a Szaturnusszal való közeli találkozás során. [19] [20] Az exobolygó-rendszereket hasonló dinamikai instabilitás érintheti a gázkorong disszipációja során; ez megváltoztatja a bolygók pályáját, és bizonyos esetekben a bolygók kilökődnek a rendszerből, vagy ütközhetnek a csillaggal. Valamint a szórás hatására a bolygó nagy excentricitású pályára kerülhet, és amikor a pericentrum a csillag közelében halad el, a csillag árapály-hatása miatt a pálya megváltozhat. A bolygók pályáinak excentricitásai és dőlésszögei is változnak a megközelítések során, ez magyarázhatja az excentricitások megfigyelt eloszlását a csillaghoz közeli exobolygók pályáján. [21] A létrejövő bolygórendszerek általában a stabilitási határ közelében vannak. [22] A nizzai modellben a planetezimálokból álló külső koronggal rendelkező exobolygórendszerek is ki vannak téve a dinamikai instabilitásnak a planetezimális vándorlás során fellépő rezonáns metszéspontok miatt. A távoli pályán lévő bolygók excentricitása és dőlése a planetezimálokkal való dinamikus súrlódás miatt változhat, míg a paraméterek végső értéke a korong relatív tömegétől és a gravitációs találkozásban résztvevő bolygóktól függ. [23]
A csillag és a bolygó közötti árapály-kölcsönhatás megváltoztatja a fél-főtengelyt és a bolygó pályájának excentricitását. A csillag körül keringő bolygó dagálya emelkedést hoz létre a csillag felszínén. Ha a csillag forgási periódusa meghaladja a bolygó forgási periódusát, akkor a magasság helye elmarad a bolygó és a csillag középpontja közötti egyenestől, ami erőnyomatékot hoz létre a bolygó és a csillag között. Ennek eredményeként a bolygó elveszíti szögimpulzusát, pályájának fél-főtengelye idővel csökken. Ha a bolygó pályája excentricitású, akkor az árapály nagysága nagyobb, ha a bolygó a pálya periapszisán van. A bolygó a periapszis közelében lassul a legjobban, az apocentrikus távolság gyorsabban csökken, mint a pericentrikus, ami csökkenti az excentricitást. A korongvándorlástól eltérően, amely több millió évig tart, mielőtt a gáz eloszlik, az árapály-vándorlás évmilliárdokig tart. A csillaghoz közeli bolygók árapály-fejlődése a bolygók fő féltengelyeinek körülbelül felére csökkenéséhez vezet a protoplanetáris köd disszipációja idején fennálló értékekhez képest. [24]
A bolygó pályája, amely egy kettőscsillag forgási síkjához képest meg van dőlve, a Kozai-ciklusok és az árapály-súrlódás kombinációja miatt összehúzódhat. Egy távolabbi csillaggal való kölcsönhatás oda vezet, hogy a Lidov-Kozai mechanizmus keretein belül a bolygó pályájának excentricitása és dőlése megváltozik. A pálya excentricitása nőhet, miközben a pericentrikus távolság csökken, és erős árapály-kölcsönhatás léphet fel a bolygó és a csillag között. Csillag közelében a bolygó elveszti szögimpulzusát, a pálya zsugorodik. Az excentricitás és a dőlés változásának ciklusai fokozatosan megváltoztatják a bolygó pályájának fél-főtengelyét. [25] Ha a bolygó pályája úgy összezsugorodik, hogy a bolygó már nem érzi egy távoli csillag hatását, akkor a Kozai-ciklus véget ér. A pálya ebben az esetben gyorsabban zsugorodik, mivel az árapály-erők hatására kör alakúvá válik. A bolygó pályája retrográdsá is válhat. A Kozai-ciklusok létezhetnek két bolygót tartalmazó rendszerben, amelyek a bolygók közötti gravitációs szóródás miatt változó hajlamokkal rendelkeznek, miközben az egyik pálya retrográdsá válhat. [26] [27]
Egy bolygó pályája megváltozhat gravitációs kölcsönhatásban számos planetezimál segítségével. A planetezimálok hatására bekövetkező vándorlás a planetezimálok megközelítése során a szögimpulzus-átadások hozzáadásának eredménye. Külön megközelítéseknél az átvitt szögimpulzus nagysága és a bolygó pályájának változási iránya a megközelítés geometriai paramétereitől függ. Nagyszámú megközelítés esetén a bolygóvándorlás iránya a planetezimálok bolygóhoz viszonyított átlagos szögimpulzusától függ. Ha a szögimpulzus nagy, például a bolygó pályáján kívüli korong esetében, akkor a bolygó a korong külső részére mozog; ha a szögimpulzus kisebb, mint a bolygóé, akkor a csillag felé mozdul. Egy bolygó vándorlása, amely a koronghoz hasonló szögimpulzussal kezdődik, a potenciál eloszlásától és a planetezimálok területétől függ. Egyetlen bolygórendszerben a planetezimálok elveszhetnek a kilökődés során, amikor a bolygó közelebb kerül a csillaghoz. Egy több bolygót tartalmazó rendszerben a planetezimálok más bolygókhoz közeledve eltávolodhatnak egy adott bolygó befolyási övezetétől, vagy éppen ellenkezőleg, a befolyási övezetbe kerülhetnek. Az ilyen kölcsönhatások miatt a bolygó pályája kiszélesedik, mivel a külső bolygók hajlamosak eltávolítani a nagy lendületű planetezimálokat a belső bolygó hatásterületéről, vagy kis lendületű planetezimálokat juttatnak be a hatásterületbe. A bolygóval való rezonanciák, amelyekben a planetezimálok pályáinak excentricitásai addig nőnek, amíg a pályák elkezdik keresztezni a bolygó régióját, szintén a planetezimálokkal való találkozás és a szögimpulzus újraeloszlásának forrása. Ezenkívül a vándorlás folyamatában a bolygó más planetezimálokhoz közelít, miközben a vándorlás folytatódik. A migráció kihalhat, ha a planetezimálok gyorsabban hagyják el a bolygórendszert, mint a többi planetezimál a bolygó régiójába. [28] Ha egy bolygó egy protoplanetáris korongon kering, akkor számára a rövid forgási periódusú pályákon a bolygótezimálokhoz való rövidebb megközelítési idők a kis szögimpulzusú planetezimálok gyakoribb megközelítéséhez vezetnek, aminek következtében a migráció megtörténik. helyezze a csillag irányába. [29] Egy gáznemű korongban azonban lehetséges a kifelé vándorlás bizonyos méretű planetezimáloknál, mivel a gázzal való kölcsönhatás miatt kicsi a kis keringési periódusú planetezimálok száma. [harminc]
A bolygók vándorlása oda vezethet, hogy a bolygók rezonanciában vannak egymással, ha pályájuk közel van. A bolygók pályái úgy közelíthetnek egymáshoz, hogy a gáznemű korong belső szélén megállítják a befelé irányuló vándorlást; ilyenkor szorosan forgó belső bolygók rendszere jön létre [31] , vagy ha a vándorlás megáll az I. típusú vándorlást szabályozó momentumok nullázási tartományában (például a jégvonal közelében), akkor bolygók láncolata, közel a egymással, de a csillagtól távolabb, kialakul. [32] A gravitációs kölcsönhatás hasonló excentricitású bolygók rezonáns befogásához is vezethet. [33] Az egyik hipotézis ( eng. Grand tack hypothesis ) szerint a Jupiter vándorlása megállt és irányt változtatott, amikor a Szaturnusz elérte külső rezonanciáját. [34] A Jupiter és a Szaturnusz vándorlásának lassulása, valamint az Uránusz és a Neptunusz befogása a távolabbi rezonanciák tartományában megakadályozhatja a Kepler-teleszkóp által megfigyelt szuperföldek kompakt rendszerének kialakulását számos bolygón . rendszerek. [35] A bolygók vándorlása a rendszer külső része felé a planetezimálok rezonáns befogásához is vezethet, például a Kuiper-öv plutinók esetében . [36] Noha feltételezik, hogy a bolygók vándorlása olyan rendszerekhez vezet, amelyekben a bolygók láncai rezonanciában vannak, a legtöbb megfigyelt exobolygó nincs rezonanciában. A rezonancialáncok a gravitációs instabilitás következtében megsemmisülhetnek a gáznemű korong disszipációja során. [37] A megmaradt planetezimálokkal való kölcsönhatások tönkretehetik a kis tömegű bolygók rezonancia-konfigurációit, így a rezonanciatartományon kívüli pályákon maradhatnak. [38] Az árapály kölcsönhatása a csillaggal, a korong turbulenciája és a többi formálódó bolygóval való kölcsönhatás szintén megzavarhatja a rezonáns konfigurációkat. [39] A nagy excentricitású pályán a Neptunusznál kisebb bolygók elkerülhetik a rezonancia rögzítését. [40]
A külső bolygók vándorlása egy olyan forgatókönyv, amelyet a külső Naprendszerben lévő testek keringési tulajdonságainak magyarázatára javasoltak. [41] A Neptunusz pályáján túl a Naprendszer Kuiper-övként, Scattered Disk -ként és Oort -felhőként terjed ki , három különálló kis jeges test populációként, amelyekről úgy gondolják, hogy a legtöbb megfigyelt üstökös forrása. A Naptól ilyen távolságban az akkréció nagyon gyenge volt ahhoz, hogy lehetővé tegye a bolygók kialakulását a protoszoláris köd eloszlása előtt, mivel az eredeti korong sűrűsége nem volt elegendő. A Kuiper-öv 30 és 55 AU között fekszik. a Naptól, és a szórt korong legnagyobb kiterjedése meghaladja a 100 AU-t, [41] az Oort-felhő 50 000 AU-nál kezdődik. [42]
E forgatókönyv szerint a Kuiper-öv kezdetben sűrűbb volt és közelebb volt a Naphoz: több millió planetezimál volt benne, a külső határ körülbelül 30 AU távolságra volt, a Neptunusz modern pályáján. A Naprendszer kialakulása után az óriásbolygók pályája lassan változott a megmaradt planetezimálok gravitációs hatására. 500-600 millió év után (kb. 4 milliárd évvel ezelőtt) a Jupiter és a Szaturnusz 2:1 rezonanciára tért át, amelyben a Szaturnusz a Jupiter két forradalma alatt egy fordulatot tesz a Nap körül. [41] A Jupiter és a Szaturnusz keringési excentricitása nő, az Uránusz és a Neptunusz pályája pedig kevésbé stabil. A bolygók megközelítése a Neptunusz vándorlásához vezet az Uránusz pályáján túl, a planetezimálok sűrű övezetébe. A bolygók a jeges testek nagy részét a Naprendszerbe szórták, míg ők maguk kifelé mozdultak. Továbbá hasonló mechanizmus hatott a Naphoz közelebb eső bolygókon is, amelyek pályája szintén távol került a Naptól. [43] A folyamat mindaddig folytatódott, amíg a planetezimálokat a Jupiter nem befolyásolta, amelynek gravitációja nagy excentricitású pályákra helyezte vagy kidobta őket a Naprendszerből. Ezzel egy időben a Jupiter közelebb került a Naphoz. A leírt forgatókönyv magyarázatot ad a transz-neptuniai objektumok populációjának kis tömegére. A külső bolygókkal ellentétben a belső bolygókról azt feltételezik, hogy keveset mozogtak a Naprendszer élete során, és pályájuk stabil maradt a késői erős bombázás során . [44]