两颗巨行星层级长期耦合导致的极端轨道演化

过去二十年对系外行星的观测揭示了一类新的木星大小行星，其轨道周期仅为几天，即所谓的“热木星”。近期利用罗斯特 - 麦克劳林效应（Rossiter-McLaughlin effect）进行的测量表明，其中许多（约 50%）行星的轨道与恒星自转轴不对齐；此外，部分（约 15%）甚至相对于恒星自转轴呈逆行。受这些观测的启发，我们探讨了在层级三体构型中形成逆行轨道的可能性，该构型包含一个恒星 - 行星内层对，以及另一个处于更宽轨道上的巨行星或褐矮星。Naoz 等人（2011）最近表明，在此类系统中，内层行星的轨道可以在顺行和逆行之间翻转，并且可以达到极高的偏心率。在此，我们绘制了这些系统动力学结果参数空间的重要部分。我们推导出了外层摄动体轨道构型的强约束条件，这些条件可能导致形成轨道不对齐或逆行的热木星。我们仅关注长期演化，忽略了其他动力学效应（如平运动共振）以及所有耗散力。例如，对于一个初始位于 5 AU 处近圆轨道的内层类木行星，我们表明，若在内层系统 140 AU 范围内存在一个质量更大（> 2 MJ）、相互倾角为 50 度且偏心率高于 0.25 的行星伴星，则很可能形成不对齐的热木星。这与测试粒子近似形成了鲜明对比，在后者中，近乎垂直的构型虽仍能引起巨大的偏心率激发，但内层类木行星发生翻转的可能性要小得多。我们推导出的约束条件可用于指导未来的观测，特别是对含有热木星的系统中更遥远伴星的搜寻。