How did Jupiter form?

Abstract

Two relatively new concepts in planetary science are planetary migration; wherein the planets migrate through the protoplanetary disk as they form, and pebble accretion; wherein the planetesimals which become terrestrial planets and giant planet cores grow through the accretion of small pebbles. Planetary migration has become a generally accepted concept but there is still much to be learned even about how it affected the formation of our own solar system. As such, the goal of this thesis is to add to this knowledge by investigating how far Jupiter might have migrated in the protoplanetary disk surrounding the young Sun.

This is done by performing simulations of the growth and migration of planets evolving in a protoplanetary disk. These simulations are carried out using different initial planetesimal parameters in terms of distance from the host star and starting time of the accretion in relation to the lifetime of the protoplanetary disk. The Python code developed for the thesis to perform the simulations does so by numerically integrating the mass and radial distance from the host star of evolving planets according to the Euler method. In the case of the planet mass the integration follows pebble accretion and subsequently gas accretion for such planets that grow massive enough. The integration of the radial distance from the host star follows recent solutions wherein the migration of a gas accreting planet is not tied to the gas accretion rate onto the star as has been previously suggested.

From the results of the simulations I find that the migration distance is heavily dependent on the ratio between the gas accretion and pebble accretion rates onto the host star. When using the low value of 0.01 for this ratio in the simulations Jupiter analogues are found to migrate almost 50 AU. By increasing the value to 0.1 on the other hand I find that the migration distance is reduced to less than 10 AU. The simulations in the thesis follow a simplified model of the planet formation process. As such, these results should be seen as a stepping stone towards more accurate results.

Popular Abstract (Swedish)

Vet du hur planeterna i vårt solsystem kom att kretsa p\å sina nuvarande avstånd från solen? Inte? Var inte orolig, det vet inte jag heller och inte ens astronomer som studerar planetformation vet riktigt säkert. Det finns dock astronomer som lever än i dag som kanske inte alltid hade svarat nej på den frågan, då man för bara ett par årtionden sedan trodde att planeterna formades och utvecklades i sina nuvarande omloppsbanor. Dem första indikationerna på att detta kanske inte var fallet kom inte förrän det sena 1970-talet och tidiga 1980-talet då bevis för planetmigration upptäcktes. Detta fenomen innebär, enkelt uttryckt, att planeter rör sig närmare eller längre ifrån sin stjärna under sin formation relativt mot vart planeterna börjar formas. Intresset för det tog dock inte fart förrän mitten av 1990-talet med upptäckten av dem första extrasolära planetsystemen eller exosystemen; det vill säga planetsystem i omloppsbana runt en annan stjärna än solen, och i en del av dessa system upptäckten av planeter med så pass underliga omloppsbanor att det var osannolikt att dem hade formats i sina nuvarande positioner. Genom att undersöka den här nu generellt accepterande planetmigrationen kan insikter nås om hur inte bara vårt eget solsystem men även exosystem formades.

Migrationen av väldigt massiva planeter är av särskilt intresse, därav kommer jag i denna avhandling specifikt att titta på hur Jupiter kan ha migrerat under sin formation. Det finns två huvudanledningar till att migrationen av massiva planeter är av särskilt intresse, den första av vilka är att massiva planeter är dem första att formas. För att förstå den andra anledningen behöver vi veta att en ung stjärna är omringad av en disk som består av gas, damm och is som är överblivet från dess formation, och att det är ifrån denna disk som en stjärnas planeter formas. Detta händer då det fasta materialet i disken kan klumpa ihop sig genom turbulenta rörelser och på detta sätt forma de planetära frön som kallas planetesimaler. Dessa planetesimaler är massiva nog att börja dra till sig material från disken genom deras gravitation. Så ledes växer dem än mer massiva vilket i sin tur ökar kraften av deras gravitation. Detta sätter igång en kedjereaktion som för dem mest massiva planeterna lämnar en gas- och dammlös lucka i det område av disken där planeten växer. En sådan lucka på verkar självklart formationen av planeter som växer fram samtidigt eller efter dess formation. Genom att undersöka migrationen av väldigt massiva planeter kan vi således inte bara få en bättre förståelse för hur den massiva planeten själv formades utan även för hur efterkommande planeter formades. Detta kan i sin tur hjälpa oss att svara på den öppnande frågan och därmed lägga till en bit på pusslet som är den uråldriga frågan om hur vi kom att hamna där vi är.

• author: Ahlgren, Calle
• supervisor: Anders Johansen
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20182
• year: 2019
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Planet formation, Planet migration
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2019-EXA141
• language: English
• id: 8970160
• date added to LUP: 2019-02-13 16:55:08
• date last changed: 2019-02-13 16:55:08