German Title: N-Körper-Simulationen multiplanetarer Systeme in Sternhaufen: Der Einfluss externer Störungen auf die dynamische Entwicklung von Planeten

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Abstract

Stars predominantly form in groups or clusters, which, however, only dissolve completely after hundreds of millions of years. Within such stellar overdensities, stars interact gravitationally with each other. On timescales of the order of millions of years, close flybys of neighbouring stars occur, which can significantly alter the orbital architecture of the planetary systems that have formed around the stars in the cluster. In this thesis, I simulate a total of four star cluster environments of different densities and subsequently numerically integrate different planetary system architectures over 100 million years, taking into account the gravitational forces that would have acted on them due to the motion of their central stars through the cluster. The results show that the gravitational perturbations from the birth environment can explain the large diversity in the orbital parameters of the observed exoplanet population. In particular, the simulation results show that about 1–2% of all planets adopt stable retrograde orbits due to external stellar perturbations or resulting interactions with other planets in the system. Furthermore, by taking into account tidal interactions between the host star and the planets, the formation of hot Jupiters can be observed in some systems as an indirect consequence of stellar encounters. Moreover, all simulated star cluster environments produce a significant percentage of unbound planets.

Translation of abstract (German)

Sterne entstehen überwiegend in Gruppen oder Haufen, die sich jedoch erst nach Hunderten von Millionen Jahren vollständig auflösen. Innerhalb solch stellarer Überdichten wechselwirken Sterne gravitativ miteinander. Auf Zeitskalen in der Größenordnung von Millionen von Jahren kommt es zu nahen Vorbeiflügen benachbarter Sterne, welche die orbitale Architektur der Planetensysteme, die um die Sterne im Haufen entstanden sind, erheblich verändern können. In dieser Arbeit simuliere ich insgesamt vier unterschiedlich dichte Sternhaufenumgebungen und integriere anschließend numerisch verschiedene Planetensystemarchitekturen über 100 Millionen Jahre unter Berücksichtigung der gravitativen Kräfte, die aufgrund der Bewegung ihrer Zentralsterne durch den Haufen auf sie gewirkt hätten. Die Ergebnisse zeigen, dass die gravitativen Störungen aus der Geburtsumgebung die große Diversität in den Orbitalparametern der beobachteten Exoplaneten-Population erklären können. Insbesondere zeigen die Simulationsergebnisse, dass etwa 1–2% aller Planeten infolge von externen stellaren Störungen oder daraus resultierenden Interaktionen mit anderen Planeten im System stabile retrograde Umlaufbahnen einnehmen. Des Weiteren lässt sich unter Berücksichtigung von Gezeitenwechselwirkung zwischen Zentralstern und Planeten in einigen Systemen die Entstehung heißer Jupiter als indirekte Folge stellarer Begegnungen beobachten. Alle simulierten Sternhaufenumgebungen produzieren zudem einen signifikanten Prozentsatz ungebundener Planeten.