半径谷中动力学不稳定与巨型撞击的故事

半径在1至 $4 R_\oplus$ 之间的行星尺寸分布在1.4和 $2.2R_\oplus$ 附近达到峰值，并在约 $1.8 R_\oplus$ 处出现低谷——即所谓的“半径谷”。最近的统计分析表明，位于该谷内（$1.5 < R < 2R_\oplus$）的行星往往比谷外行星具有略高的轨道偏心率。这种动力学特征的起源仍不清楚。我们重新审视了“打破链条”形成模型，并提出在原行星盘消散后发生的晚期动力学不稳定性可能解释在半径谷中观察到的高偏心率。我们的模拟表明，谷内行星（$R < 2 R_\oplus$）通常是岩石行星，而谷外行星（$R > 2 R_\oplus$）通常富含水。经历强动力学不稳定性和多次晚期巨型撞击的岩石行星，其轨道受到激发且半径增大，最终落入半径谷。相比之下，谷外稍大的富水行星经历的不稳定性较弱且撞击较少，导致偏心率较低。这种对比导致谷内的偏心率分布出现峰值。半径谷中行星受到动力学激发的程度对轨道不稳定性前的轨道构型高度敏感。半径谷行星偏心率升高主要发生在以下情形中：在不稳定性前于100天内形成了足够多（通常 $\gtrsim 5$）的岩石行星，并且存在外部扰动天体（$P > 100$ 天），后者进一步放大了动力学不稳定性的强度。