The Stability of Observed Multiple-Planet Systems

Abstract (Swedish)

Solen är inte den enda stjärnan med planeter i universum. Sedan 1995, då den första extra-solära planeten upptäcktes, har 770 exoplaneter observerats och fler upptäcks hela tiden. Enligt teorier om hur planeter formas föds gasjättar med cirkulära, vida banor långt från sin stjärna precis som planeterna i solsystemet. Trots detta har många av de observerade exoplaneterna väldigt elliptiska (excentriska) banor som dessutom är alldeles för nära stjärnan. För att lösa det här problemet har det, i litteraturen, föreslagits flera teorier. En är att en andra stjärna flyger förbi planetsystemet och ändrar planeternas banor. En annan är att man har planetsystem med mer än en planet. I ett sådant flerplanetsystem påverkas planeterna inte bara av stjärnan utan av varandra också. De här planet-planetinteraktionerna skulle då kunna ändra planeternas banor så att planeterna kommer närmare varandra. Om två planeter kommer riktigt nära varandra kommer gravitationen mellan dem att ändra deras banor ännu mer och efter att detta har upprepats ett antal gånger kommer en av dem kastas ut ur planetsystemet. Resultatet av detta skulle vara att de kvarvarande planeterna får banor som är mer excentriska och ligger närmare stjärnan.

Jag har, i det här projektet, undersökt huruvida teorin med flerplanetsystem skulle kunna fungera. Jag har undersökt hur ett flerplanetsystem utvecklas med tiden både med analytiska approximationer och numeriska simuleringar. Mina resultat visar att tiden det tar för två planeter att komma inom ett visst avstånd från varandra är väldigt beroende på det ursprungliga avståndet mellan dem. Mer överraskande är att tiden mellan första gången planeterna kommer riktigt nära varandra och det att en planet blir utkastad är konstant, oberoende av den ursprungliga separationen mellan planeterna. Slutsatsen man kan dra av detta är att efter det att två planeter i ett planetsystem har stött på varandra en gång ser utvecklingen väsentligen likadan ut för alla planetsystem.

Abstract

According to theories of planet formation, jovian planets are formed on relatively circular, non-inclined, wide orbits. Despite this, many observed jovian planets are found on tight eccentric orbits. This problem could possibly be solved with multiple-planet systems. A planet in a multiple-planet system is not only affected by the host star but also by the other planets. The interactions express themselves in that the planets transfer angular momentum between each other and the eccentricities and inclination of their orbits will oscillate. I have investigated if these planet-planet interactions can perturb a `circular' system enough to eject one planet and leave the rest of the system more tightly bound with orbits that have higher eccentricities and hence explain the observed exoplanets. I have studied the evolution of both the observed multiple-planet systems and systems I have generated myself both analytically with perturbation theory and numerically with N-body simulations. I have investigated how the stability of those systems depend on different parameters of the systems such as semi-major axes, inclinations and masses. My conclusions are that the stability of a multiple-planet system is a very sensitive function of the initial separations between the planets but also that the time between the first scattering event and disruption of the system (collision or ejection) is independent of the initial separations. I also find that multiple-planet systems are very chaotic in the sense that small changes in initial conditions lead to huge differences in the outcome.

• author: Wahlberg Jansson, Karl
• supervisor: Melvyn B Davies
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20121
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2012_EXA60
• language: English
• id: 2701781
• date added to LUP: 2012-06-05 16:46:03
• date last changed: 2012-06-05 16:46:03