[論文レビュー] A new view on planet formation

Sergei Nayakshin|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2010

Astro and Planetary Science参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、巨大ガスクラスター（巨大惑星胚、GE）が内側へ遷移し、潮汐力および恒星放射によって大気を失われることで陸上惑星が形成されるという、潮汐的ダウンサイズ（TD）仮説を提唱する。このモデルは、陸上惑星がかつてのガス惑星の『乾いた骨格』であるという太陽系の構造を説明し、コア集積の「くっつき」問題と「ドリフト」問題を解決するとともに、惑星の組成と軌道の整合性を説明できる。

ABSTRACT

The standard picture of planet formation posits that giant gas planets are over-grown rocky planets massive enough to attract enormous gas atmospheres. It has been shown recently that the opposite point of view is physically plausible: the rocky terrestrial planets are former giant planet embryos dried of their gas "to the bone" by the influences of the parent star. Here we provide a brief overview of this "Tidal Downsizing" hypothesis in the context of the Solar System structure.

研究の動機と目的

• コア集積モデルの理論的課題、特に原始惑星円盤内でのメートルサイズの岩石の「くっつき」困難さと径方向ドリフトの問題を解決すること。
• 太陽系の前向きで整合性のある惑星の公転運動という長年の謎を解消すること。これは、ランダムな衝突形成シナリオと矛盾する。
• コア集積の物理的に妥当な代替案を提供し、陸上惑星を破壊された巨大惑星胚の残骸として再解釈すること。
• 陸上惑星、小惑星帯、ガス惑星・氷惑星の観測された構造を統一的な形成フレームワーク内で説明すること。

提案手法

• 質量の大きな原始惑星円盤における重力不安定性に起因し、50 AU以上の大半の半径で巨大惑星胚（GE）が形成される。
• 周囲のガス円盤からの重力的トルクによって、GEが内側へ径方向に移動する。これはGoldreich & Tremaine（1980）が記述したものと一致する。
• GE内部における微粒子の成長と沈降が進行し、高Z元素から、最大で約60 M⊕の高密度岩石コアが形成される。
• 内側数AUにおける潮汐的破壊および/または放射加熱によるエンベロープ剥がしのプロセスが発生し、恒星への接近度とコア質量に依存する。
• 放射流体力学シミュレーションを用いてエンベロープの剥離をモデル化し、10 M⊕以上のコアではガスが完全に失われる結果が得られた。
• 固体コアとガスクラスターの束縛エネルギーを比較し、内部破壊の可能性を評価する。E_bind ∝ GM²/R スケーリングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陸上惑星の形成は、イン・サイトコア集積ではなく、破壊された巨大惑星胚の残骸によって説明可能だろうか？
• RQ2 質量の大きなガスクラスターの内側への移動が、初期に外側の円盤で形成されたにもかかわらず、内側太陽系で岩石コアが形成可能である理由は何か？
• RQ3 破壊された胚が陸上惑星、ガス惑星、または氷惑星となるかの決定要因は何か。これはエンベロープ損失の程度に依存するか？
• RQ4 太陽系の陸上惑星が一貫性があり前向きの回転を示す理由は何か。これは共通の形成メカニズムによって説明可能だろうか？
• RQ5 Tidal Downsizing仮説は、小惑星帯の組成と位置が破壊された胚に由来する残留固体であることを説明できるか？

主な発見

• 潮汐的ダウンサイズ仮説は、外側円盤での巨大惑星胚形成と内側への移動を可能にすることで、コア集積の物理的妥当な代替案を提供する。
• シミュレーションにより、10 MJガスクラスターに形成された20 M⊕コアは、0.03 M⊕を除きすべてのガスエンベロープを剥離可能であることが確認され、陸上惑星形成と整合的である。
• 10 M⊕の固体コアの束縛エネルギーは、約0.8 AUにおける3 MJガスクラスターと同等であり、内部破壊の可能性を支持する。
• このモデルは、潮汐破壊半径内（rt ≈ 2–3 AU）に位置する陸上惑星に、巨大大気が存在しないことを自然に説明できる。
• 小惑星帯は、GE内で成長した固体だがコアに組み込まれなかったものであり、r ≈ 2–3 AUで破壊後に残されたものと解釈される。
• このモデルは、ウラヌスとネプチューンが部分的に破壊された胚であると説明でき、巨大コア形成に伴う内部エネルギー放出が、それらの原始的エンベロープの大部分を蒸発させた可能性を示唆する。