行星大碰撞打造太阳系内找不到的重量级行星

从1995年的飞马座51b(由今年诺贝尔物理学奖得主Michel Mayor与Didier Queloz发现)开始至截稿前,我们已经发现了4,093颗系外行星,除了受到众人瞩目的超级地球、地球2.0这些具有类似地球环境的行星,还有一些是我们太阳系里找不到的行星类型,又大、距离其母星又近的气体巨行星。这些巨行星轨道半径小于5 AU(约等于木星与太阳的距离),多数具有高偏心率(e > 0.5)的椭圆轨道,比太阳系里行星的轨道都还要扁。

科学家有数种机制来解释这些具有特殊轨道的行星如何形成,可能是行星系统内多体重力交互作用,或者早期的原行星盘内的气体就具有某种共振现象,最近美国利克天文台Renata Frelikh的团队提出了新的见解:原行星与行星的大碰撞。

太阳系可能也历经过这样的时期,早期太阳系内还有多颗原行星环绕,它们多为已有相当质量的天体,如果撞上了行星会造成很大的冲击,可以改变自转及公转的特性,甚至抛散出大量物质至太空中。如果原生系统的质量越大,早期大碰撞的事件可以预期越为频繁,Renata Frelikh以多体运动的行为做仿真分析,与FGK型星(0.5-1.4倍太阳质量)中243个行星系统进行比对,认为只要原生系统的质量越大,越有可能形成扁椭圆轨道的巨行星。在此之前,解释高偏心率行星轨道的理论仅能仿真低质量行星,Renata Frelikh与其团队则解决了大于木星质量的系外行星轨道问题,补足了现有理论的空缺。

上图为观测数据,下图为Renata Frelikh大碰撞理论仿真。MJ 为木星质量。