Исследование динамической эволюции компактной планетной системы KEPLER-51

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследуется динамическая эволюция компактной трехпланетной системы Kepler-51. Анализируются возможные резонансные состояния системы и проводится поиск потенциальных цепочек резонансов средних движений. С помощью программного комплекса Posidonius исследуется динамическая эволюция системы на интервале времени 100 млн лет с учетом приливного взаимодействия. Также для различных начальных значений эксцентриситетов, наклонов, аргументов перицентров и долгот восходящих узлов орбит проводится моделирование динамической эволюции планетной системы в рамках численно-аналитической теории движения. Показано, что компактная планетная система Kepler-51 не является резонансной. При начальных условиях, соответствующих массам и элементам орбит планет, определенным из наблюдений с учетом их погрешностей, эволюция системы является устойчивой и регулярной на исследуемом интервале 100 млн лет.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Э. Д. Кузнецов

Уральский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: eduard.kuznetsov@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

А. С. Перминов

Уральский федеральный университет

Email: perminov12@yandex.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Antoniadou K.I., Voyatzis G. Periodic orbits in the 1:2:3 resonant chain and their impact on the orbital dynamics of the Kepler-51 planetary system // Astron. and Astrophys. 2022. V. 661. id. A62 (16 p.).
  2. Blanco-Cuaresma S., Bolmont E. Studying tidal effects in planetary systems with Posidonius. A N-body simulator written in rust // EWASS Spec. Session 4 (2017): Star-planet interactions (EWASS-SS4-2017). 2017. doi: 10.5281/zenodo.1095095.
  3. Charalambous C., Teyssandier J., Libert A.-S. Tidal interactions shape period ratios in planetary systems with three-body resonant chains // Astron. and Astrophys. 2023. V. 677. id. A160 (11 p.).
  4. Christiansen J.L., Crossfield I.J.M., Barentsen G., Lintott C.J., Barclay T., Simmons B.D., Petigura E., Schlieder J.E., Dressing C.D., Vanderburg A., Allen C., McMaster A., Miller G., Veldthuis M., Allen S., Wolfenbarger Z., Cox B., Zemiro J., Howard A.W., Livingston J., Sinukoff E., Catron T., Grey A., Kusch J.J.E., Terentev I., Vales M., Kristiansen M.H. The K2-138 system: A near-resonant chain of five sub-Neptune planets discovered by citizen scientists // Astron. J. 2018. V. 155. id. 57 (9 p.).
  5. Gillon M., Jehin E., Lederer S.M., Delrez L., de Wit J., Burdanov A., Van Grootel V., Burgasser A.J., Triaud A.H.M.J., Opitom C., Demory B.-O., Sahu D.K., Bardalez Gagliuffi D., Magain P., Queloz D. Temperate Earth-sized planets transiting a nearby ultracool dwarf star // Nature. 2016. V. 533. P. 221–224.
  6. Gillon M., Triaud A.H.M.J., Demory B.-O., Jehin E., Agol E., Deck K.M., Lederer S.M., de Wit J., Burdanov A., Ingalls J.G., Bolmont E., Leconte J., Raymond S.N., Selsis F., Turbet M., Barkaoui K., Burgasser A., Burleigh M.R., Carey S.J., Chaushev A., Copperwheat C.M., Delrez L., Fernandes C.S., Holdsworth D.L., Kotze E.J., Van Grootel V., Almleaky Y., Benkhaldoun Z., Magain P., Queloz D. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1 // Nature. 2017. V. 542. P. 456–460.
  7. Huang S., Ormel C.W. The dynamics of the TRAPPIST-1 system in the context of its formation // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2022. V. 511. P. 3814–3831.
  8. Jontof-Hutter D., Dalba P.A., Livingston J.H. TESS observations of Kepler systems with transit timing variations // Astron. J. 2022. V. 164. id. 42.
  9. Kholshevnikov K.V. The Hamiltonian in the planetary or satellite problem as a d’Alembertian function // Astron. Reports. 2001. V. 45. № 7. P. 577–579.
  10. Kuznetsov E.D., Perminov A.S. Search for chains of resonances in the compact planetary system K2-72 // The Thirteenth Moscow Solar System Symp. 13M-S3, October 10–14, 2022, Space Res. Inst. Russian Acad. Sci., Moscow, Russia. 2022. P. 382–384.
  11. Leleu A., Lillo-Box J., Sestovic M., Robutel P., Correia A.C.M., Hara N., Angerhausen D., Grimm S.L., Schneider J. Co-orbital exoplanets from close-period candidates: the TOI-178 case // Astron. and Astrophys. 2019. V. 624. id. A46 (9 p.).
  12. Lissauer J.J., Marcy G.W., Bryson S.T., Rowe J.F., Jontof-Hutter D., Agol E., Borucki W.J., Carter J.A., Ford E.B., Gilliland R.L., Kolbl R., Star K.M., Steffen J.H., Torres G. Validation of Kepler's multiple planet candidates. II. Refined statistical framework and descriptions of systems of special interest // Astrophys. J. 2014. V. 784. id. 44 (21 p.).
  13. MacDonald M.G., Feil L., Quinn T., Rice D. Confirming the 3:2 resonance chain of K2-138 // Astron. J. 2022. V. 163. id. 162 (12 p.).
  14. Mills S.M., Fabrycky D.C., Migaszewski C., Ford E.B., Petigura E., Isaacson H. A resonant chain of four transiting, sub-Neptune planets // Nature. 2016. V. 533. P. 509–512.
  15. Murphy M.M., Armitage P.J. Instability from high-order resonant chains in wide-separation massive planet systems // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2022. V. 512. P. 2750–2757.
  16. Perminov A.S., Kuznetsov E.D. The orbital evolution of the Sun–Jupiter–Saturn–Uranus–Neptune system on long time scales // Astrophys. and Space Sci. 2020. V. 365. id. 144.
  17. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical recipes. The art of scientific computing. New York: Cambridge Univ. Press, 2007. 1235 p.
  18. Rivera E.J., Laughlin G., Butler R.P., Vogt S.S., Haghighipour N., Meschiari S. The Lick-Carnegie Exoplanet Survey: a Uranus-Mass fourth planet for GJ 876 in an extrasolar Laplace configuration // Astrophys. J. 2010. V. 719. P. 890–899.
  19. Rowe J.F., Bryson S.T., Marcy G.W., Lissauer J.J., Jontof-Hutter D., Mullally F., Gilliland R.L., Issacson H., Ford E., Howell S.B., Borucki W.J., Haas M., Huber D., Steffen J.H., Thompson S.E., Quintana E., Barclay T., Still M., Fortney J., Gautier T.N. III, Hunter R., Caldwell D.A., Ciardi D.R., Devore E., Cochran W., Jenkins J., Agol E., Carter J.A., Geary J. Validation of Kepler's multiple planet candidates. III. Light curve analysis and announcement of hundreds of new multi-planet systems // Astrophys. J. 2014. V. 784. id. 45 (20 p.).
  20. Volk K., Malhotra R. Dynamical instabilities in systems of multiple short-period planets are likely driven by secular chaos: A case study of Kepler-102 // Astron. J. 2020. V. 160. id. 98.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Распределение областей резонансов низких порядков (до четвертого порядка включительно) в системе Kepler-51 с учетом ошибок определения масс планет и эксцентриситетов их орбит.

Скачать (178KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эволюция элементов орбит планет (1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d) на интервале 100 млн лет при различных значения массы звезды M: (а) – больших полуосей при , (б) – больших полуосей при , (в) – эксцентриситетов при , (г) – эксцентриситетов при .

Скачать (417KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Эволюция отношений периодов обращения планет (синие точки): (а) – Kepler-51 c и Kepler-51 b; (б) – Kepler-51 d и Kepler-51 c. Красные пунктирные линии соответствуют резонансам средних движений.

Скачать (267KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эволюция системы Kepler-51 в области трехтельных резонансов – цепочек двухтельных резонансов средних движений. Красные линии соответствуют положению трехтельных резонансов. Система эволюционирует слева направо.

Скачать (142KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эволюция средних элементов орбит планет на интервале 100 млн лет для нулевых начальных значений наклонов орбит и долгот восходящих узлов: 1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d.

Скачать (225KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Эволюция средних элементов орбит планет на интервале 100 тыс. лет для нулевых начальных значений наклонов орбит и долгот восходящих узлов: 1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d.

Скачать (253KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Эволюция средних эксцентриситетов орбит планет (1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d) на интервале 100 млн лет для соответствующих им начальных значений оскулирующих элементов орбит: I1 = 0.9°, I2 =I3 = 0°, Ω2 = Ω3 = 0°, аргументы перицентров – номинальные, эксцентриситеты орбит – максимальные, Ω1 – варьируется с шагом 30°.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Эволюция средних наклонов орбит планет (1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d) на интервале 100 млн лет для соответствующих им начальных значений оскулирующих элементов орбит: I1 = 0.9°, I2 =I3 = 0°, Ω2 = Ω3 = 0°, аргументы перицентров – номинальные, эксцентриситеты орбит – максимальные, Ω1 – варьируется с шагом 30°.

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Эволюция средних эксцентриситетов орбит планет (1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d) на интервале 100 млн лет для соответствующих им начальных значений оскулирующих элементов орбит: I2 = 0.6°, I1 =I3 = 0°, Ω1 = Ω3 = 0°, аргументы перицентров – номинальные, эксцентриситеты орбит – максимальные, Ω2 – варьируется с шагом 30°.

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Эволюция средних наклонов орбит планет (1 – Kepler-51 b, 2 – Kepler-51 c, 3 – Kepler-51 d) на интервале 100 млн лет для соответствующих им начальных значений оскулирующих элементов орбит: I2 = 0.6°, I1 =I3 = 0°, Ω1 = Ω3 = 0°, аргументы перицентров – номинальные, эксцентриситеты орбит – максимальные, Ω2 – варьируется с шагом 30°.

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Рис. 11. Карты минимальных (левый столбец) и максимальных (правый столбец) значений эксцентриситетов орбит планет на интервале времени 100 млн лет (НУ: эксцентриситеты орбит – номинальные, I1 = 0.9°, I2 = 0.6°, I3 = 0°, g1 = 252.1, g2 = 322.9°, g3 = 263.5°): (а) – минимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 b; (б) – максимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 b; (в) – минимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 c; (г) – максимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 c; (д) – минимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 d; (е) – максимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 d.

Скачать (618KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Карты минимальных (левый столбец) и максимальных (правый столбец) значений наклонов орбит планет на интервале времени 100 млн лет (НУ: эксцентриситеты орбит – номинальные, I1 = 0.9°, I2 = 0.6°, I3 = 0°, g1 = 252.1, g2 = 322.9°, g3 = 263.5°): (а) – минимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 b; (б) – максимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 b; (в) – минимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 c; (г) – максимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 c; (д) – минимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 d; (е) – максимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 d.

Скачать (598KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Карты минимальных (левый столбец) и максимальных (правый столбец) значений эксцентриситетов орбит планет на интервале времени 100 млн лет (НУ: эксцентриситеты орбит – номинальные, I1 = 0.9°, I2 = 0.6°, I3 = 0°, g1 = 252.1, g2 = 269.4°, g3 = 316.9°): (а) – минимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 b; (б) – максимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 b; (в) – минимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 c; (г) – максимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 c; (д) – минимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 d; (е) – максимально достижимые значения эксцентриситета орбиты планеты Kepler-51 d.

Скачать (626KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Карты минимальных (левый столбец) и максимальных (правый столбец) значений наклонов орбит планет на интервале времени 100 млн лет (НУ: эксцентриситеты орбит – номинальные, I1 = 0.9°, I2 = 0.6°, I3 = 0°, g1 = 252.1, g2 = 269.4°, g3 = 316.9°): (а) – минимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 b; (б) – максимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 b; (в) – минимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 c; (г) – максимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 c; (д) – минимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 d; (е) – максимально достижимые значения наклона орбиты планеты Kepler-51 d.

Скачать (607KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024