Giant impacts as drivers of planetary formation: from orbital architectures to planets’ interiors

This thesis is a collection of five works focused on planet formation and planetary interiors, in which we develop a comprehensive theoretical framework spanning from protoplanetary disks and solid growth processes to the orbital dynamics of exoplanetary systems with super-Earths and the Solar System. The goal is to connect the early stages of planet formation with the late-stage processes dominated by giant impacts, and to explore how these events shape both the dynamical architecture and the internal structure of planets. We begin by establishing the theoretical foundations of early-stage planet formation, including disk evolution, dust growth, planetesimal formation, and pebble accretion. These processes set the initial conditions for the formation of planetary embryos and govern the mass distribution and migration pathways that ultimately lead to dynamically active systems. The core of the thesis focuses on the role of giant impacts during the final stages of planet formation. Through a series of planet formation N-body simulations, we investigate the dynamical evolution of super-Earth systems, showing that instabilities and collisions can naturally break resonant chains while preserving low mutual inclinations. We also examine the effects of collisional fragmentation and demonstrate that, although fragmentation occurs, it does not significantly alter the final orbital architecture or mass distribution of these systems. In addition, we explore the origin of spin–orbit misalignments and find that giant impacts alone are insufficient to explain the observed diversity, suggesting a primordial origin. Extending this framework to the outer Solar System, we study the formation of Uranus and Neptune, showing that both small- and large-impactor scenarios remain viable, albeit with different efficiencies in reproducing their present-day rotation states. The thesis further bridges dynamical models with planetary interiors by investigating the consequences of giant impacts on internal structure. We model the formation and evolution of magma oceans, including their thermal and viscous evolution, differentiation, and volatile outgassing. Scaling laws derived from hydrodynamical simulations of giant impacts are used to construct one-dimensional models of magma oceans, allowing us to estimate their properties. Finally, we apply this framework to the early Moon, modeling the evolution of the Lunar magma ocean and the formation of a stagnant lid. We show that such a lid forms rapidly and plays a crucial role in limiting volatile loss, providing a mechanism to explain the observed depletion of volatile elements. Overall, this thesis demonstrates that giant impacts are a fundamental process linking the dynamical and internal evolution of planets, contributing to our understanding of planetary system diversity both in the Solar System and in exoplanetary systems.

Resumo (português)

Esta tese é uma coletânea de cinco trabalhos focados na formação planetária e nos interiores planetários, na qual desenvolvemos um arcabouço teórico abrangente que vai desde discos protoplanetários e processos de crescimento de sólidos até a dinâmica orbital de sistemas planetários de exoplanetas com super-Terras e do Sistema Solar. O objetivo é conectar os estágios iniciais da formação planetária com os processos de estágio tardio dominados por impactos gigantes, e explorar como esses eventos moldam tanto a arquitetura dinâmica quanto a estrutura interna dos planetas. Iniciamos estabelecendo as bases teóricas da formação planetária em estágios iniciais, incluindo evolução de discos, crescimento de poeira, formação de planetesimais e acreção de pebbles. Esses processos definem as condições iniciais para a formação de embriões planetários e governam a distribuição de massas e os caminhos de migração que, em última instância, levam a sistemas dinamicamente ativos. O núcleo da tese foca no papel dos impactos gigantes durante os estágios finais da formação planetária. Por meio de uma série de simulações N-corpos de formação planetária, investigamos a evolução dinâmica de sistemas de super-Terras, mostrando que instabilidades e colisões podem naturalmente romper cadeias ressonantes enquanto preservam baixas inclinações mútuas. Também examinamos os efeitos da fragmentação colisional e demonstramos que, embora a fragmentação ocorra, ela não altera significativamente a arquitetura orbital final nem a distribuição de massas desses sistemas. Além disso, exploramos a origem dos desalinhamentos spin–órbita e verificamos que impactos gigantes, por si só, são insuficientes para explicar a diversidade observada, sugerindo uma origem primordial. Estendendo esse arcabouço para o Sistema Solar externo, estudamos a formação de Urano e Netuno, mostrando que cenários com impactores pequenos e grandes permanecem viáveis, embora com diferentes eficiências na reprodução de seus estados atuais de rotação. A tese também estabelece uma ponte entre modelos dinâmicos e interiores planetários ao investigar as consequências dos impactos gigantes na estrutura interna. Modelamos a formação e evolução de oceanos de magma, incluindo sua evolução térmica e viscosa, diferenciação e liberação de voláteis. Leis de escala derivadas de simulações hidrodinâmicas de impactos gigantes são utilizadas para construir modelos unidimensionais de oceanos de magma, permitindo estimar suas propriedades. Por fim, aplicamos esse arcabouço à Lua primitiva, modelando a evolução do oceano de magma lunar e a formação de uma stagnant lid. Mostramos que essa camada se forma rapidamente e desempenha um papel crucial na limitação da perda de voláteis, fornecendo um mecanismo para explicar a depleção observada de elementos voláteis. De forma geral, esta tese demonstra que impactos gigantes são um processo fundamental que conecta a evolução dinâmica e interna dos planetas, contribuindo para a compreensão da diversidade de sistemas planetários tanto no Sistema Solar quanto em sistemas exoplanetários.

Idioma

Inglês

Citação

PAULA, Leandro Esteves de. Giant impacts as drivers of planetary formation from orbital architectures to planets’ interiors. Orientador: Othon Cabo Winter. 2026. 228f. Tese (doutorado em Física e Astronomia) - Faculdade de Engenharia e Ciências, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2026.