När planetsystem utvecklas, gravitationsinteraktioner mellan planeter kan slänga några av dem i excentriska elliptiska banor runt värdstjärnan, eller till och med helt och hållet utanför systemet. Mindre planeter borde vara mer mottagliga för denna gravitationsspridning, ändå har många gasjätte exoplaneter observerats med excentriska banor som skiljer sig mycket från planeternas ungefär cirkulära banor i vårt eget solsystem.

Förvånande, planeterna med de högsta massorna tenderar att vara de med de högsta excentriciteterna, även om trögheten hos en större massa borde göra det svårare att vika sig från sin ursprungliga omloppsbana. Denna kontraintuitiva observation fick astronomer vid UC Santa Cruz att utforska utvecklingen av planetsystem med hjälp av datorsimuleringar. Deras resultat, rapporteras i en tidning publicerad i Astrofysiska tidskriftsbrev , föreslå en avgörande roll för en gigantisk inverkansfas i utvecklingen av planetsystem med hög massa, vilket leder till kollisionstillväxt av flera jätteplaneter med närliggande banor.

"En jätteplanet sprids inte lika lätt i en excentrisk bana som en mindre planet, men om det finns flera jätteplaneter nära värdstjärnan, deras gravitationsinteraktioner är mer sannolikt att de sprider dem i excentriska banor, " förklarade första författaren Renata Frelikh, en doktorand i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz.

Frelikh utförde hundratals simuleringar av planetsystem, börja var och en med 10 planeter i cirkulära banor och variera den initiala totala massan av systemet och massorna av enskilda planeter. När systemen utvecklades under 20 miljoner simulerade år, dynamiska instabiliteter ledde till kollisioner och sammanslagningar för att bilda större planeter såväl som gravitationsinteraktioner som kastade ut vissa planeter och spred andra i excentriska banor.

Analysera resultaten av dessa simuleringar tillsammans, forskarna fann att planetsystemen med den mest initiala totala massan producerade de största planeterna och planeterna med de högsta excentriciteterna.

"Vår modell förklarar naturligtvis den kontraintuitiva korrelationen mellan massa och excentricitet, sa Frelikh.

Medförfattare Ruth Murray-Clay, Gunderson professor i teoretisk astrofysik vid UC Santa Cruz, sa att det enda icke-standardiserade antagandet i deras modell är att det kan finnas flera gasjätteplaneter i den inre delen av ett planetsystem. "Om du gör det antagandet, allt annat beteende följer, " Hon sa.

Enligt den klassiska modellen för planetbildning, baserat på vårt eget solsystem, det finns inte tillräckligt med material i den inre delen av den protoplanetära skivan runt en stjärna för att göra gasjätteplaneter, så bara små steniga planeter bildas i den inre delen av systemet och jätteplaneter bildas längre ut. Ändå har astronomer upptäckt många gasjättar som kretsar nära sina värdstjärnor. Eftersom de är relativt lätta att upptäcka, dessa "heta Jupiters" stod för majoriteten av tidiga upptäckter av exoplaneter, men de kan vara ett ovanligt resultat av planetbildning.

"Det här kan vara en ovanlig process, Murray-Clay sa. "Vi föreslår att det är mer sannolikt att det händer när den initiala massan i skivan är hög, och att jätteplaneter med hög massa produceras under en fas av jättenedslag."

Denna jätte-påverkansfas är analog med det sista steget i monteringen av vårt eget solsystem, när månen bildades i efterdyningarna av en kollision mellan jorden och en annan planet. "På grund av vårt solsystems bias, vi tenderar att tänka på nedslag som händer på steniga planeter och utstötning som händer med jätteplaneter, men det finns ett helt spektrum av möjliga resultat i utvecklingen av planetsystem, " sa Murray-Clay.

Enligt Frelikh, kollisionstillväxt av stora jätteplaneter borde vara mest effektiv i de inre regionerna, eftersom möten mellan planeter i de yttre delarna av systemet är mer benägna att leda till utstötningar än sammanslagningar. Sammanslagningar som producerar planeter med hög massa bör nå sin topp på ett avstånd från värdstjärnan på cirka 3 astronomiska enheter (AU, avståndet från jorden till solen), Hon sa.

"Vi förutspår att jätteplaneterna med högsta massa kommer att produceras genom sammanslagningar av mindre gasjättar mellan 1 och 8 AU från deras värdstjärnor, ", sa Frelikh. "Exoplanetundersökningar har upptäckt några extremt stora exoplaneter, närmar sig 20 gånger Jupiters massa. Det kan krävas många kollisioner för att producera dessa, så det är intressant att vi ser den här jätteeffektfasen i våra simuleringar."