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On the capture of free floating planets

Birgit Loibnegger

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Astronomie

Betreuer*in

Rudolf Dvorak

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DOI

10.25365/thesis.38532

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29458.23690.512754-4

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Diese Masterarbeit bearbeitet die Interaktion zwischen einem free-floating planet und einem gebundenen Stern-Planeten System. Besonders wird dabei auf den Fall einge- gangen, in dem der free-floating planet vom System eingefangen wird und auf einer Bahn gravitativ gebunden bleibt. Sogenannte free-floating planets werden laufend entdeckt. Ihre Existenz ruft einige Fragen hervor: Was kann passieren, wenn so ein Himmelskörper in ein Sonnensystem eindringt? Ist es möglich, dass einige Exoplaneten in Wirklichkeit eingefangene free- floating planets sind, die nicht in der Gas- und Staubscheibe um den Stern entstanden sind, um den sie jetzt kreisen? In dieser Masterarbeit werden diese Fragen numerisch untersucht. Die Wechsel- wirkungen zwischen einem ungebundenen Himmelskörper mit einem gravitativ gebun- denen Stern-Planeten-System werden berechnet und statistisch ausgewertet. Das gewählte Szenario findet hauptsächlich in Galaxienhaufen statt, wo die Sterndichte höher ist und es deswegen wahrscheinlicher ist, dass ein free-floating planet in ein ex- istierendes Sternsystem eindringt. (Siehe dazu: Hurley and Shara (2002)) Um das nachzustellen wird die Bahn eines gravitativ ungebundenen Planeten berech- net der in ein vereinfachtes Sternensystem eindringt. Das gravitativ gebundene System besteht aus einer Sonne und einem Jupiter, der in einer Entfernung von 1 AU auf einer kreisförmigen Bahn um den Stern kreist. Die Masse des eindringenden Planeten wird im Bereich von 0.01M Jupiter < M < 10M Jupiter variiert, ebenso wird die Neigung seiner Bahn von 0 ◦ bis zu 90 ◦ geändert um den Einfluss dieser Parameter auf den Ausgang der numerischen Berechnungen zu untersuchen. Der Endzustand des Systems wird nach einer festgelegten Zeit mithilfe der Über- prüfung der Energie des Systems festgestellt. Dabei ist der Einfang des free-floating planets sowie ein Vorbeiflug oder auch ein Austausch mit dem Jupiter möglich. Es stellt sich heraus, dass die Ergebnisse fraktal sind. Das bedeutet, dass leichte Än- derungen in den Anfangsbedingungen einen anderen Ausgang der numerischen Berech- nung bewirken. Um die Fraktalität der Ergebnisse nachzuweisen wird der sogenannte uncertainty exponent berechnet. Aufgrund der Fraktalität der Daten wird eine statistische Analyse der Egebnisse vorgenommen und die empirische Wahrscheinlichkeit für die drei möglichen Endzustände des Systems (Einfang, Vorbeiflug, Austausch) wird berechnet. Dies wird für unter- schiedliche Masseverhältnisse der beiden Planeten und unterschiedliche Bahnneigungen des eindringenden Planeten ausgeführt. Der Einfang des zu Beginn ungebundenen Planeten ist auf prograden und retro- graden Orbits möglich. Außerdem werden Fälle genauer untersucht, in denen der free-floating planet in einem Orbit mit niedrigen Werten der großen Halbachse und Exzentrizität eingefangen wird. Dies ist möglich, obwohl der Einfang in einem Orbit mit hohen Werten für diese beiden Bahnelemente wahrscheinlicher ist.

Abstract

(Englisch)

This Master’s thesis is a theoretical work about the capture of free-floating planets. Ongoing discoveries of free-floating planetary mass objects rise the question about what can happen if such an object enters a solar-like system. Is it possible that some exoplanets are captured free-floating planets which were not born in the disk around the star they do orbit now? In order to investigate this questions numerical computations are carried out and the interaction of a free-floating planetary mass object with a bound star-planet pair is inspected. The chosen scenario mainly happens in dense clusters where, because of the higher stellar density, the possibility that a free-floating planet enters an existing solar-like system is relatively high. (Hurley and Shara, 2002) Therefore trajectories of a free-floating planet entering a simple bound system from infinity are calculated. The gravitational bound system consists of a sun and a Jupiter on a circular orbit. The mass of the intruding planet is varied in the range of 0.01M Jupiter < M < 10M Jupiter . The initial inclination of the trajectory of the free- floating planet with respect to the orbital plane of the Jupiter is varied between 0 ◦ and 90 ◦ . The final state of the system is determined after a certain time via calculation of the energy between the bodies in pairs and shows capture, exchange or flyby as possible outcomes. It turns out that the results of the scattering process are fractal which means that slightly different initial conditions lead to different outcomes of the numerical calculations. The uncertainty exponent, α, is calculated in order to show that the process is chaotic. In order to investigate the probabilities of flyby, capture and exchange a statistical analysis of the final states is made. This is carried out for different mass ratios and different initial inclinations of the incoming body. Accordingly different time scales are taken into account as well. It is shown that a free-floating planet can be captured on prograde as well as on retrograde orbits. Furthermore cases where the capture of a free-floating planet on an orbit with moderate values of semi-major axis, eccentricity and inclination is possible are discussed. Nevertheless the capture in an orbit with high values of eccentricity or big semi-major axis is more likely. Additionally the influence of the initial velocity of the incoming body on the prob- abilities of the final states is investigated. It is found, that lower velocity leads to a higher percentage of free-floating planets which end up in the state of capture.

Autor*innen

Birgit Loibnegger

Haupttitel (Englisch)

On the capture of free floating planets

Paralleltitel (Deutsch)

Über den Einfang von 'free-floating planets'

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

68 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Rudolf Dvorak

Klassifikation

39 Astronomie > 39.23 Himmelsmechanik, Astrodynamik

AC Nummer

AC12658780

Utheses ID

34138

Studienkennzahl

UA | 066 | 861 | |

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