À mesure que les systèmes planétaires évoluent, les interactions gravitationnelles entre les planètes peuvent projeter certaines d'entre elles sur des orbites elliptiques excentriques autour de l'étoile hôte, ou même complètement hors du système. Les planètes plus petites devraient être plus sensibles à cette diffusion gravitationnelle, pourtant, de nombreuses exoplanètes gazeuses géantes ont été observées avec des orbites excentriques très différentes des orbites à peu près circulaires des planètes de notre propre système solaire.

Étonnamment, les planètes avec les masses les plus élevées ont tendance à être celles avec les excentricités les plus élevées, même si l'inertie d'une masse plus importante devrait rendre plus difficile le déplacement de son orbite initiale. Cette observation contre-intuitive a incité les astronomes de l'UC Santa Cruz à explorer l'évolution des systèmes planétaires à l'aide de simulations informatiques. leurs résultats, rapporté dans un article publié dans Lettres de revues astrophysiques , suggèrent un rôle crucial pour une phase d'impacts géants dans l'évolution des systèmes planétaires de grande masse, conduisant à la croissance collisionnelle de plusieurs planètes géantes avec des orbites rapprochées.

"Une planète géante n'est pas aussi facilement dispersée sur une orbite excentrique qu'une planète plus petite, mais s'il y a plusieurs planètes géantes proches de l'étoile hôte, leurs interactions gravitationnelles sont plus susceptibles de les disperser sur des orbites excentriques, " a expliqué la première auteure Renata Frelikh, un étudiant diplômé en astronomie et astrophysique à l'UC Santa Cruz.

Frelikh a effectué des centaines de simulations de systèmes planétaires, en commençant chacun par 10 planètes sur des orbites circulaires et en variant la masse totale initiale du système et les masses des planètes individuelles. Au fur et à mesure que les systèmes ont évolué pendant 20 millions d'années simulées, les instabilités dynamiques ont conduit à des collisions et à des fusions pour former des planètes plus grandes ainsi qu'à des interactions gravitationnelles qui ont éjecté certaines planètes et dispersé d'autres sur des orbites excentriques.

En analysant collectivement les résultats de ces simulations, les chercheurs ont découvert que les systèmes planétaires avec la masse totale la plus initiale produisaient les plus grosses planètes et les planètes avec les excentricités les plus élevées.

"Notre modèle explique naturellement la corrélation contre-intuitive de la masse et de l'excentricité, " a déclaré Frelik.

Co-auteur Ruth Murray-Clay, le professeur Gunderson d'astrophysique théorique à l'UC Santa Cruz, a déclaré que la seule hypothèse non standard dans leur modèle est qu'il peut y avoir plusieurs planètes géantes gazeuses dans la partie interne d'un système planétaire. "Si vous faites cette supposition, tous les autres comportements suivent, " elle a dit.

Selon le modèle classique de formation des planètes, basé sur notre propre système solaire, il n'y a pas assez de matière dans la partie interne du disque protoplanétaire autour d'une étoile pour faire des planètes géantes gazeuses, ainsi, seules de petites planètes rocheuses se forment dans la partie interne du système et des planètes géantes se forment plus loin. Pourtant, les astronomes ont détecté de nombreuses géantes gazeuses en orbite près de leurs étoiles hôtes. Parce qu'ils sont relativement faciles à détecter, ces "Jupiters chauds" représentaient la majorité des premières découvertes d'exoplanètes, mais ils peuvent être un résultat rare de la formation de planètes.

« Cela peut être un processus inhabituel, " Murray-Clay a déclaré. "Nous suggérons que cela est plus susceptible de se produire lorsque la masse initiale dans le disque est élevée, et que les planètes géantes de masse élevée sont produites pendant une phase d'impacts géants."

Cette phase d'impacts géants est analogue à l'étape finale de l'assemblage de notre propre système solaire, lorsque la lune s'est formée à la suite d'une collision entre la Terre et une autre planète. "En raison de notre biais du système solaire, nous avons tendance à penser que les impacts se produisent sur des planètes rocheuses et que l'éjection se produit sur des planètes géantes, mais il y a tout un éventail de résultats possibles dans l'évolution des systèmes planétaires, ", a déclaré Murray-Clay.

Selon Frelik, la croissance collisionnelle des planètes géantes de masse élevée devrait être la plus efficace dans les régions intérieures, parce que les rencontres entre les planètes dans les parties externes du système sont plus susceptibles de conduire à des éjections qu'à des fusions. Les fusions produisant des planètes massives devraient culminer à une distance de l'étoile hôte d'environ 3 unités astronomiques (AU, la distance de la Terre au soleil), elle a dit.

"Nous prévoyons que les planètes géantes de masse la plus élevée seront produites par des fusions de géantes gazeuses plus petites entre 1 et 8 UA à partir de leurs étoiles hôtes, " a déclaré Frelikh. " Les relevés d'exoplanètes ont détecté des exoplanètes extrêmement grandes, approchant 20 fois la masse de Jupiter. Cela peut prendre beaucoup de collisions pour les produire, il est donc intéressant que nous voyions cette phase d'impacts géants dans nos simulations."