Planet formation in binary star systems and its relevance during target selection for extrasolar planet search with the transit method

In this Thesis I have studied the impact of binary stars on planet formation and evolution in order to maximize the process of target selection in a future space mission devoted to planet detection. The impact has been firstly addressed via a statistical analysis of the frequency and characteristics of planets in those complex systems. Then, a more in-depth investigation has been made by modeling different planet formation stages in circumbinary and circumstellar environments. I have also studied the impact of close stellar encounters on the evolution of planetary systems in order to explore the relevance of this effect on the statistics of exoplanet mass and orbital distributions. According to the outcome of my simulations the presence of the companion star has a strong impact on planet formation and evolution process. The protoplanetary disk is strongly perturbed, exhibiting tidal waves and developing an overall eccentric shape. In the third dimension hydraulic jumps are observed that could prevent the dust sedimentation and halt the planetesimal formation. In circumbinary disks, the planetesimal evolution appears strongly affected by the asimmetry of the gravitational field of the eccentric disk, that excites mutual planetesimal velocities, favouring fragmentation rather than accretion, thus preventing planet formation. All these effects together influence the overall statistics of planets in binaries and must be taken into account when deriving the general properties of exoplanet systems since the majority of stars are born in multiple configurations, and nearly half of the them are part of a binary system in the Galactic field. Planets in binaries are expected to be a frequent and interesting occurrence and will have a high impact on the target selection process. Future space missions will for sure improve our statistic of these planetary systems, and allow a better understanding of the complex process of planet formation in these esotic environments.

In questa tesi ho studiato l'impatto della binarietà sulla formazione ed evoluzione planetaria allo scopo di massimizzare il processo di selezione dei target in una futura missione spaziale dedicata alla scoperta di transiti planetari. L'impatto è stato studiato prima con un'analisi statistica della frequenze e delle caratteristiche dei pianeti in questi sistemi complessi. In seguito, si è eseguito uno studio più dettagliato dalla modellizzazione di diversi scenari di formazione planetaria in sistemi circumbinari e circumstellari in binarie. Inoltre, ho studiato l'impatto dei flyby stellari sull'evoluzione dei sistemi planetari per capire la rilevanza di questo fenomeno sulla distribuzione statistica della massa e dei parametri orbitali dei pianeti extrasolari osservati. Dal risultato delle simulazioni effettuate, la presenza della compagna stellare nel sistema binario ha un forte impatto sul processo di formazione ed evoluzione dei sistemi planetari. I dischi protoplanetari sono fortemente perturbati, mostrando delle onde mareali e sviluppando una forma eccentrica. Nella terza dimensione si osservano dei salti idraulici che possono prevenire la sedimentazione e bloccare il processo di formazione planetaria. Nei dischi circumbinari, l'evoluzione dei planetesimi appare fortemente influenzata dall'asimmetria del campo gravitazionale del disco eccentrico, portando ad un incremento delle velocità mutue e favorendo la frammentazione piuttosto che l'accrescimento in protopianeti. Tutti questi effetti influenzano la statistica dei pianeti in binarie e devono essere presi in considerazione quando si vuole derivare le proprietà generali dei sistemi planetari, poiché la maggior parte delle stelle si è formata in configurazioni multiple e circa la metà di esse nel campo galattico è parte di un sistema binario. Ci si aspetta che i pianeti in binarie siano un evento frequente ed interessante e dunque abbiano un impatto notevole nel processo di selezione dei target. Le missioni spaziali future sicuramente miglioreranno la statistica di questi sistemi planetari, e permetteranno una più profonda comprensione dei complessi processi di formazione planetaria in questi ambienti esotici.