Advanced

Dynamics of a high-eccentricity planet in a large planetesimal disc

Schmidt Montelius, Martin LU (2019) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK02 20191
Lund Observatory
Abstract
Clustering of orbital characteristics for distant Solar System objects has been proposed to indicate the presence of a ninth planet. Simulations show that the planets orbit would have to have a mass of 5–10 Solar masses, a semi-major axis of 400–800 AU, an eccentricity of 0.2–0.5 and an inclination of 15–25°. Simulations of a planet scattering off a giant planet into a highly eccentric orbit, show that the scattered planet can circularise its orbit by dynamical friction with a planetesimal disc, providing a hypothesis of the origins of Planet Nine. The simulations show an increase in the planets inclination not explained by dynamical friction.
In this thesis a further examination of the increasing inclination is presented. Some of the... (More)
Clustering of orbital characteristics for distant Solar System objects has been proposed to indicate the presence of a ninth planet. Simulations show that the planets orbit would have to have a mass of 5–10 Solar masses, a semi-major axis of 400–800 AU, an eccentricity of 0.2–0.5 and an inclination of 15–25°. Simulations of a planet scattering off a giant planet into a highly eccentric orbit, show that the scattered planet can circularise its orbit by dynamical friction with a planetesimal disc, providing a hypothesis of the origins of Planet Nine. The simulations show an increase in the planets inclination not explained by dynamical friction.
In this thesis a further examination of the increasing inclination is presented. Some of the theory of the Kozai–Lidov resonance, phase space, dynamical friction and the Miyamoto–Nagai potential is presented. The results show that a highly eccentric planet travelling through a planetesimal disc is reliably circularised and achieves high inclination at some point of its evolution. The phase space for the Kozai–Lidov resonance for this setup is explored. Additional fixed points at 0 and 180 degrees, which are not present in the regular Kozai cycle, are found to play a major role in the dynamics as the planet is circularised.
An attempt was made to model the planetesimal disc with the Miyamoto–Nagai potential. Simulations were performed for different values of the disc parameters. The resulting phase portraits lacked the additional fixed points produced by the planetesimal disc. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Ända sedan 1781, när William Herschel upptäckte Uranus, så har astronomer letat efter planeter som ligger ännu längre ut. Solsystemet är ett stort ställe, så om man vill hitta någonting så krävs lite vägledning till var man ska leta. 2016 publicerade astronomerna Konstantin Batygin och Mike Brown en studie om små objekt utanför Neptunus, där de hade upptäckt att många av de här himlakropparnas banor delar vissa egenskaper. De föreslog att det här orsakas av en oupptäckt planet, kallad Planet Nio, på en utdragen omloppsbana långt ifrån de planeterna vi redan känner till.
Ett problem med den här hypotesen är att vi inte vet hur Planet Nio skulle ha hamnat så långt bort. Om den bildades där ute så förklarar det inte hur den omloppsbana blev... (More)
Ända sedan 1781, när William Herschel upptäckte Uranus, så har astronomer letat efter planeter som ligger ännu längre ut. Solsystemet är ett stort ställe, så om man vill hitta någonting så krävs lite vägledning till var man ska leta. 2016 publicerade astronomerna Konstantin Batygin och Mike Brown en studie om små objekt utanför Neptunus, där de hade upptäckt att många av de här himlakropparnas banor delar vissa egenskaper. De föreslog att det här orsakas av en oupptäckt planet, kallad Planet Nio, på en utdragen omloppsbana långt ifrån de planeterna vi redan känner till.
Ett problem med den här hypotesen är att vi inte vet hur Planet Nio skulle ha hamnat så långt bort. Om den bildades där ute så förklarar det inte hur den omloppsbana blev så utdragen. I andra teorier föreslås det att den bildades någon annanstans. Solen hade kunnat ta planeten från en annan stjärna som passerat för nära, eller så kunde Planet Nio ha bildats med de andra planeterna och blivit utslungad av något nära möte. Om den senare teorin stämmer så skulle det förklara varför banan är så utdragen, det är vanligt för objekt som har slungats ut bortom de andra planeterna. Men det finns ett problem med teorin, den har svårt att förklara varför den förslagna banan lutar så mycket jämfört med de andra planeterna.
2018 föreslog Linn Eriksson vid Lunds Universitet en ny ide för hur planetens bana hade kunnat utvecklas, från att den slungats ut, tills att den är på den bana som forskarna tror at den har. I hennes modell så interagerar planeten med ett asteroidbälte som inte har upptäckts än. Projektet var mest fokuserat på hur excentrisk banan skulle bli, men mot förmodan så fick planetens bana en lutning som matchar förutsägelserna som gjorts. Det här kandidatarbetets fokus har legat på att förstå varför banan fick lutningen och hur planeten och bältet interagerar.
Det här arbetet kan vara användbart för astronomer i flera områden. Med en förbättrad förståelse för hur Planet Nio bildats så ökar våra chanser att en dag hitta den. Om teorin stämmer så skulle den kunna stödja olika teorier om planetbildning. Även om vi inte hittar Planet Nio så skulle arbetet kunna användas för att bättre förstå hur planeter runt andra stjärnor beter sig, eftersom många av dem har banor som likar banan som föreslagits för Planet Nio. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Schmidt Montelius, Martin LU
supervisor
organization
course
ASTK02 20191
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2019-EXA153
language
English
id
8988688
date added to LUP
2019-08-14 12:02:34
date last changed
2019-08-14 12:02:34
@misc{8988688,
  abstract     = {Clustering of orbital characteristics for distant Solar System objects has been proposed to indicate the presence of a ninth planet. Simulations show that the planets orbit would have to have a mass of 5–10 Solar masses, a semi-major axis of 400–800 AU, an eccentricity of 0.2–0.5 and an inclination of 15–25°. Simulations of a planet scattering off a giant planet into a highly eccentric orbit, show that the scattered planet can circularise its orbit by dynamical friction with a planetesimal disc, providing a hypothesis of the origins of Planet Nine. The simulations show an increase in the planets inclination not explained by dynamical friction.
In this thesis a further examination of the increasing inclination is presented. Some of the theory of the Kozai–Lidov resonance, phase space, dynamical friction and the Miyamoto–Nagai potential is presented. The results show that a highly eccentric planet travelling through a planetesimal disc is reliably circularised and achieves high inclination at some point of its evolution. The phase space for the Kozai–Lidov resonance for this setup is explored. Additional fixed points at 0 and 180 degrees, which are not present in the regular Kozai cycle, are found to play a major role in the dynamics as the planet is circularised.
An attempt was made to model the planetesimal disc with the Miyamoto–Nagai potential. Simulations were performed for different values of the disc parameters. The resulting phase portraits lacked the additional fixed points produced by the planetesimal disc.},
  author       = {Schmidt Montelius, Martin},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Dynamics of a high-eccentricity planet in a large planetesimal disc},
  year         = {2019},
}