[論文レビュー] A new perspective on interiors of ice-rich planets: Ice-rock mixture rather than a layered structure.

Allona Vazan, Re’em Sari+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、氷を多く含む惑星の従来の層状内部モデルに挑戦し、高圧条件下でのミスシビリティ（不混和性）により、氷と岩石が広範囲にわたって混合され、層状ではなく均一な内部構造を形成することを示している。高圧実験データと熱的進化モデルを用いて、移動と質量損失が大気の組成に影響を及ぼすが、深部の混合に影響しないことが示され、数十億年間にわたり99％以上の惑星質量が混合状態を保っている。

ABSTRACT

Ice-rich planets formed exterior to the iceline and thus are expected to contain substantial amount of ice (volatiles). The high ice content leads to unique conditions in the interior, under which the structure of a planet may be affected by ice interaction with other metals. We use experimental data of ice-rock interaction at high pressure, and calculate detailed thermal evolution for possible interior configurations of ice-rich planets. We model the effect of migration inward on the ice-rich interior by including the influences of stellar flux and envelope mass loss. We find that rock and ice are expected to remain mixed, due to miscibility at high pressure, in most of the planet interior (>99% in mass) for a wide range of planetary masses. We also find that the deep interior of planetary twins that have migrated to different distances from the star are usually similar, if no mass loss occurs. Significant mass loss results in an interior structure of a mixed ice and rock ball, surrounded by a volatile atmosphere of less than 1% of the planet's mass. In this case, the mass of the atmosphere of water / steam is limited by the ice-rock interaction. We conclude that when ice is abundant in planetary interiors the ice and rock tend to stay mixed for giga-years, and the interior structure differs from the simple layered structure that is usually assumed. This finding could have significant consequences on planets' observed properties, and it should be considered in exoplanets characterisation.

研究の動機と目的

• 亀裂線の外側で形成された氷を多く含む惑星の内部構造を再評価し、高い氷含有量が予想される層状構造に与える影響を明らかにすること。
• 高圧下における氷と岩石の相互作用が、惑星の熱的進化および内部構造に与える影響を調査すること。
• 内向きの移動と質量損失が、このような惑星の内部構造および大気組成に与える影響を評価すること。
• 岩石コアと氷マントルからなる層状内部構造という標準的仮定に代わり、長期間にわたって安定した混合状態が成立することを提唱すること。

提案手法

• 惑星内部条件における相挙動およびミスシビリティを把握するため、氷と岩石の高圧実験データを活用すること。
• 内向き移動中に変動するガス包みの質量損失と恒星放射の影響を組み込んだ熱的進化モデルの構築。
• 質量と移動歴の違いを想定した数値シミュレーションにより、内部構造の安定性を評価すること。
• ギガ年スケールの時間的安定性を評価するため、熱力学的原則を用いて混合状態と層状構造の安定性を比較すること。
• 異なる軌道距離に移動した惑星の双子同士の内部構造を比較し、構造的類似性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧条件下において、氷と岩石は氷を多く含む惑星の深部内部でどの程度ミスシビリティを示すか？
• RQ2 内向き移動は、氷を多く含む惑星の熱的進化および内部構造にどのように影響するか？
• RQ3 質量損失は、このような惑星の大気組成および内部構造にどのような役割を果たすか？
• RQ4 異なる距離に移動した惑星の双子の内部構造は、構造的および組成的観点からどの程度類似しているか？

主な発見

• 高圧下でのミスシビリティにより、惑星の99％以上が混合氷・岩石状態を維持しており、層状内部構造の仮定に反する。
• 顕著な質量損失がなければ、内向き移動距離に関わらず、氷を多く含む惑星の深部内部はほとんど同一である。
• 顕著な質量損失が発生すると、大気中の揮発性物質は惑星質量の1％未満に制限され、氷と岩石の相互作用プロセスに起因する。
• 氷と岩石の混合物はギガ年スケールにわたり安定しており、混合内部構造が長期的安定状態であることを示している。
• 系外惑星の観測的性質は、この混合内部構造の影響を大きく受ける可能性があり、系外惑星の特徴付けモデルの見直しが必要である。