Man mano che i sistemi planetari si evolvono, le interazioni gravitazionali tra i pianeti possono proiettarne alcuni in orbite ellittiche eccentriche attorno alla stella ospite, o addirittura fuori dal sistema del tutto. I pianeti più piccoli dovrebbero essere più suscettibili a questa diffusione gravitazionale, tuttavia, sono stati osservati molti esopianeti giganti gassosi con orbite eccentriche molto diverse dalle orbite approssimativamente circolari dei pianeti del nostro sistema solare.

Sorprendentemente, i pianeti con le masse più elevate tendono ad essere quelli con le eccentricità più elevate, anche se l'inerzia di una massa più grande dovrebbe rendere più difficile lo spostamento dalla sua orbita iniziale. Questa osservazione controintuitiva ha spinto gli astronomi dell'UC Santa Cruz a esplorare l'evoluzione dei sistemi planetari utilizzando simulazioni al computer. I loro risultati, riportato in un articolo pubblicato su Lettere per riviste astrofisiche , suggeriscono un ruolo cruciale per una fase di impatto gigante nell'evoluzione dei sistemi planetari di grande massa, portando alla crescita collisionale di più pianeti giganti con orbite ravvicinate.

"Un pianeta gigante non si disperde facilmente in un'orbita eccentrica come un pianeta più piccolo, ma se ci sono più pianeti giganti vicino alla stella ospite, è più probabile che le loro interazioni gravitazionali li disperdano in orbite eccentriche, " ha spiegato la prima autrice Renata Frelikh, uno studente laureato in astronomia e astrofisica all'UC Santa Cruz.

Frelikh ha eseguito centinaia di simulazioni di sistemi planetari, iniziando ognuno con 10 pianeti in orbite circolari e variando la massa totale iniziale del sistema e le masse dei singoli pianeti. Poiché i sistemi si sono evoluti per 20 milioni di anni simulati, le instabilità dinamiche hanno portato a collisioni e fusioni per formare pianeti più grandi, nonché interazioni gravitazionali che hanno espulso alcuni pianeti e ne hanno dispersi altri in orbite eccentriche.

Analizzando collettivamente i risultati di queste simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che i sistemi planetari con la massa totale più iniziale hanno prodotto i pianeti più grandi e i pianeti con le eccentricità più elevate.

"Il nostro modello spiega naturalmente la correlazione controintuitiva di massa ed eccentricità, " ha detto Frelik.

Coautore Ruth Murray-Clay, il professore Gunderson di astrofisica teorica all'UC Santa Cruz, ha detto che l'unica ipotesi non standard nel loro modello è che ci possono essere diversi pianeti giganti gassosi nella parte interna di un sistema planetario. "Se fai questa ipotesi, segue tutto l'altro comportamento, " lei disse.

Secondo il modello classico di formazione dei pianeti, basato sul nostro sistema solare, non c'è abbastanza materiale nella parte interna del disco protoplanetario attorno a una stella per creare pianeti giganti gassosi, quindi solo piccoli pianeti rocciosi si formano nella parte interna del sistema e pianeti giganti si formano più lontano. Eppure gli astronomi hanno rilevato molti giganti gassosi in orbita vicino alle stelle che li ospitano. Poiché sono relativamente facili da rilevare, questi "giove caldi" hanno rappresentato la maggior parte delle prime scoperte di esopianeti, ma possono essere un risultato insolito della formazione di pianeti.

"Questo potrebbe essere un processo insolito, " Murray-Clay ha detto. "Stiamo suggerendo che è più probabile che accada quando la massa iniziale nel disco è alta, e che pianeti giganti di grande massa vengono prodotti durante una fase di impatti giganteschi".

Questa fase di impatto gigante è analoga alla fase finale dell'assemblaggio del nostro sistema solare, quando la luna si è formata a seguito di una collisione tra la Terra e un altro pianeta. "A causa della nostra polarizzazione del sistema solare, tendiamo a pensare che gli impatti accadano a pianeti rocciosi e l'espulsione come accada a pianeti giganti, ma c'è un intero spettro di possibili risultati nell'evoluzione dei sistemi planetari, "Ha detto Murray Clay.

Secondo Frelikh, la crescita collisionale di pianeti giganti di grande massa dovrebbe essere più efficiente nelle regioni interne, perché gli incontri tra pianeti nelle parti esterne del sistema hanno maggiori probabilità di portare a espulsioni che a fusioni. Le fusioni che producono pianeti di grande massa dovrebbero raggiungere il picco a una distanza dalla stella ospite di circa 3 unità astronomiche (AU, la distanza dalla Terra al sole), lei disse.

"Prevediamo che i pianeti giganti di massa più elevata saranno prodotti da fusioni di giganti gassosi più piccoli tra 1 e 8 UA dalle loro stelle ospiti, " Ha detto Frelikh. "I sondaggi sugli esopianeti hanno rilevato alcuni esopianeti estremamente grandi, avvicinandosi a 20 volte la massa di Giove. Potrebbero essere necessarie molte collisioni per produrle, quindi è interessante vedere questa fase di impatto gigante nelle nostre simulazioni".