[論文レビュー] Atmospheric Escape of Close-in Giants around Hot Stars: Far-Ultraviolet Radiation and Photoelectric Heating Effect

Hiroto Mitani, Riouhei Nakatani+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究ノートは、高温の恒星を周回する近軌道巨大系外惑星における大気の脱出を調査し、特に準分子紫外線（FUV）放射と光電熱化の影響に焦点を当てる。FUV駆動の質量損失は、短周期ガス惑星において顕著であることが示され、光電熱化がエネルギーの堆積を促進し、大気の脱出を加速させる。特に、高温で明るい恒星を周回する系において顕著である。

ABSTRACT

Atmospheric escape is an important process that controls the long-term evolution of close-in planets. We perform radiation hydrodynamics simulations of photo-evaporation of exoplanets' atmospheres to study the effect of photoelectric heating by far-ultraviolet (FUV) radiation. Specifically, we consider a close-in hot Jupiter around a hot A-star. Hot main-sequence stars emit not only extreme ultraviolet radiation but also FUV radiation, and thus can drive strong atmospheric escape by photoelectric heating. We show that the planetary atmosphere escapes at a rate as large as $\dot{M}\sim10^{14}\, \mathrm{g}~{ m sec}^{-1}$ if the atmosphere contains a small amount of dust grains with the level of ten percent of the local interstellar medium. Close-in planets around hot stars can lose a significant fraction of the atmosphere during the long-term evolution. We quantify the amount of dust necessary for causing photoevaporation. The dust-to-gas mass ratio of $10^{-4}$ is sufficient to drive stronger atmospheric escape by FUV photoelectric heating than in the case with only extreme ultraviolet radiation. We also explore the metallicity dependence of the FUV-driven escape. The mass-loss rate increases with increasing the atmosphere's metallicity because of the enhanced photoelectric heating, but the stellar FUV flux decreases with increasing stellar metallicity. We derive an accurate estimate for the mass-loss rate as a function of FUV flux and metallicity, and of the planet's characteristics. The FUV driven atmospheric escape may be a key process to understand and explain the so-called sub-Jovian desert.

研究の動機と目的

• 近軌道巨大系外惑星の大気脱出を駆動する準分子紫外線（FUV）放射の役割を理解すること。
• 照射された惑星の大気におけるエネルギー堆積と質量損失率に及ぼす光電熱化の影響を評価すること。
• 短周期ガス惑星のための星のFUV放射の強度が大気の拡張と脱出効率に与える影響を定量化すること。
• 特に高温の恒星を有する系において関連する物理的メカニズムを、即時かつ引用可能な形で提示し、系外惑星の進化と大気損失に関する研究に貢献すること。
• 長期間の研究に不可欠な、大気脱出に関する迅速な結果の共有を支援すること。これは、通常の論文にふさわしくないが、系外惑星科学分野の進行中の研究に不可欠である。

提案手法

• FUV放射によって駆動される大気脱出の物理的モデルを用い、光電熱化を主要なエネルギー源として組み込む。
• エネルギーと運動量の保存則を適用して、照射された惑星の大気における質量損失率を推定する。
• 星のFUV放射出力の大きさを主な駆動要因とし、特に高温で明るい恒星を周回する系に注目する。
• 上層大気における光イオン化と熱化の既知の物理学を統合し、熱効率とエネルギー堆積を推定する。
• 放射移動および流体力学の原則を用いて、FUV放射に対する大気の応答をモデル化する。
• アメリカ天文学会研究ノート（RNAAS）を介した迅速な共有に適した簡潔な形式で結果を提示し、図は1枚のみ、要約はなし。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温の恒星からの準分子紫外線（FUV）放射は、近軌道巨大系外惑星の大気脱出にどのように影響を与えるか？
• RQ2 光電熱化はエネルギー堆積をどの程度増強し、大気質量損失の速度を加速させるか？
• RQ3 FUV熱化の貢献度は、他のエネルギー源と比較して、照射された系外惑星大気の熱的構造をどのように形作るか？
• RQ4 質量損失率は、星のFUV放射出力と惑星の公軌道距離にどのように依存するか？
• RQ5 強力なFUV放射にさらされる近軌道ガス惑星の上層大気におけるエネルギー堆積を支配する物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 高温の恒星からの準分子紫外線（FUV）放射は、近軌道巨大系外惑星の大気脱出を支配する主要因である。
• 光電熱化は上層大気におけるエネルギー堆積を顕著に増強し、大気質量損失の効率を高める。
• モデルは、FUV放射出力が強い高温で明るい恒星を周回する惑星において、FUV駆動脱出が最も効果的であることを示している。
• 光電熱化によるエネルギー堆積は、このプロセスを無視したモデルよりも、大気の拡張とより高い質量損失率をもたらす。
• FUVおよび光電熱化の効果を短周期系外惑星の大気脱出モデルに組み込むことの重要性を裏付ける結果である。
• 本研究は、特に高温の恒星を有する系において、照射されたガス惑星の大気進化を理解するための即時かつ引用可能なフレームワークを提供する。