早期太阳系不稳定性与 4、5 和 6 颗巨行星的统计研究

太阳系的若干特征，包括巨行星之间宽阔的径向间距和轨道偏心率，可以通过早期太阳系经历动力学不稳定性随后在星子盘中迁移来解释。在此，我们报告了一项统计研究的结果，其中我们从数百种不同的初始条件出发，进行了近 $10^4$ 次行星不稳定性的数值模拟。我们发现，如果木星和土星始于 3:2 共振，动力学演化通常过于剧烈，导致至少一颗冰巨星被从太阳系中抛射出去。如果跨行星星子盘的质量很大 ($M_{\text{disk}}>50 M_{\oplus}$)，可以避免行星抛射，但我们发现大质量盘会导致过度的动力学阻尼（例如，最终 $e_{55} < 0.01$，而当前 $e_{55}=0.044$，其中 $e_{55}$ 是木星轨道中第五偏心模式的振幅），并导致违反类地行星存活约束的平滑迁移。当假设太阳系最初有五颗巨行星，且一颗质量与天王星和海王星相当的冰巨星被木星抛射到星际空间时，获得了更好的结果。当被抛射的行星被置于与土星的外部 3:2 或 4:3 共振且 $M_{\text{disk}} \sim 20 M_{\oplus}$ 时，获得了最佳结果。在这种情况下，可能的结果范围相当广泛，表明当前的太阳系既不是给定初始状态下的典型结果，也不是预期结果，在最佳情况下发生的概率仅为约 5%（如正文中定义的成功标准所示）。拥有六颗巨行星的情况显示出有趣的动力学特征，但相对于五颗行星的情况并未提供显著优势。