熱木星(hot jupiter)的軌道是怎麼莫名其妙跑到本恆星系內側去的?
按照一般的知識理解,由於潮汐作用,衛星軌道應該越來越遠離母星才對啊。熱木星為什麼會軌道內遷?
類木行星的軌道遷移被稱作 type-II migration,維基上可查,我大概說明一下怎麼回事
1、在原行星盤中,相鄰軌道的氣體之間開普勒速度不同,有較差運動,必然存在摩擦力。
2、參考流體力學,黏滯力和質量密度成正比,在原行星盤初期盤中氣體密度較高,摩擦力也較大。
3、考察某個軌道,軌道內側氣體速度快,外側氣體速度慢,因此內側氣體受「向後」的力,外側氣體受「向前」的力。對整個行星盤而言,角動量由內向外傳遞,氣體朝恆星方向遷移並吸積。
4、類木原行星和行星盤中的氣體都有潮汐作用。並且和氣體間相互作用類似,原行星軌道內側氣體和外側氣體對它的作用力也是反向的,所以角動量依然由內向外傳遞。
5、最終類木行星「跟隨」盤中氣體向內遷移
除此之外還有類地行星的type-I migration,其結果也是向內遷移,遷移並非熱木星的專利。只是類地行星距離恆星太近的話可能就被撕碎了。
更重要問題其實正好相反,行星向軌道內側遷移是非常正常的,反而是我們太陽系裡冷木星的存在做出解釋:怎麼讓遷移停下來?
一種可能性是:盤中氣體被星風帶走,摩擦力木有了,導致遷移停止。但如果要形成類木行星,需要時間聚集氣體,這個時間還挺長,足夠讓大多數行星遷移並撞上恆星了。
首先熱木星的軌道遷移已經由 @Yan Yu 回答了,這類軌道遷移一般發生在行星形成時期,原行星盤還沒有消散,原理是行星與原行星盤之間的引力作用,流體力學作用共同決定行星的凈遷移力矩,由遷移力矩決定行星是向內遷移或向外遷移。
熱木星的遷移主要是Type II migration,行星與原行星盤的耦合作用強,行星會在原行星盤中產生gap。而像地球或超級地球的小質量行星,一般通過Type I migration,行星對原行星盤的結構影響不大。
在行星形成以後,雖然已經沒有了原行星盤,但原行星盤中剩下的碎片,恆星的潮汐作用,行星與行星間的引力攝動仍然可能造成行星軌道遷移。
在這裡更正一下題目表述中的 「按照一般的知識理解,由於潮汐作用,衛星軌道應該越來越遠離母星才對啊。」這句話其實是不對的。
潮汐作用會交換恆星與行星(或者是行星與衛星)之間的自轉及公轉角動量,至於是造成行星(或衛星)向內或向外遷移主要由下式決定
這是恆星與行星間潮汐造成的軌道半長徑變化,行星與衛星間潮汐的軌道變化可將上式下標的star替換成planet,planet替換成satellite得到。
是恆星的自轉角速度,為行星圍繞恆星的平均公轉角速度,sign為符號函數。也就是說當行星的平均公轉角速度小於恆星的自轉角速度時,行星會向外遷移,反之亦然。
而熱木星的公轉周期一般在10天以下,而恆星的自轉周期以太陽為例約為25天,顯然熱木星位於恆星的同步自轉軌道以內,因此在潮汐作用下,行星會向內遷移。
而換成地球與月球,月球的公轉周期約為27天,地球的自轉周期為1天,月球位於地球的同步自轉軌道外,所以在潮汐作用下,月球正在向外遷移。而火星的火衛一Phobos的公轉周期約為0.3天,火星的自轉周期約為1天,Phobos位於火星的同步自轉軌道以內,因此Phobos的軌道半長徑是在不斷衰減的,終有一天Phobos落在火星的洛希極限內,就會被潮汐力撕裂形成火星的行星環。
熱木星被認為是在距主星2.7AU附近形成氣體盤並被壓縮的物質。在這個距離上,有足夠多的固體原料來形成內核,也有足夠的氣體以形成巨行星。當行星的質量達到1木星質量左右的危險邊界時,它與原行星盤之間的萬有引力會使行星失去角動量,從而螺旋式地趨近主星。
恐怕是因為距離恆星太近,被恆星外層大氣減速。
太陽系是個怪胎。大部分恆星系都有熱木星,偏偏太陽系的氣態巨行星都在外圍。據猜測是因為木星原本是顆流浪行星,誤闖進太陽系,把太陽系裡面攪和了一通,原本在內側軌道的氣態巨行星有的被甩了出去,有的掉進了太陽;火星發育不良,小行星帶原本應該有一顆地球大小的岩石行星未能成型。
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