[論文レビュー] Concerning thermal tides on hot Jupiters

Jeremy Goodman|ArXiv.org|Jan 21, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、熱潮汐が非常に高温の木星型系外惑星（ホット・ジュピター）を非同期回転や離心軌道に駆り立てるという仮説に挑戦し、表面のない気体惑星では、静水圧および等圧補償のため、重力潮汐と熱潮汐の結合が一次的に消失すると主張する。その結論として、二次の四極モーメント効果が提案されたトルクとは逆方向に作用するため、熱潮汐はむしろ同期的回転と円形軌道を強化すると考えられる。

ABSTRACT

By analogy with a mechanism proposed by Gold and Soter to explain the retrograde rotation of Venus, Arras and Socrates suggest that thermal tides may excite hot jovian exoplanets into nonsynchronous rotation, and perhaps also noncircular orbits. It is shown here that because of the absence of a solid surface above the convective core of a jovian planet, the coupling of the gravitational and thermal tides vanishes to zeroth order in the ratio of the atmospheric scale height to the planetary radius. At the next order, the effect probably has the sign opposite to that claimed by the latter authors, hence reinforcing synchronous and circular orbits.

研究の動機と目的

• アラス＆ソクラテス（2009）が提唱したように、熱潮汐がホット・ジュピターの非同期的回転や非円形軌道を駆り立てるかどうかを評価すること。
• 気体惑星における静水圧平衡と質量再分配が熱潮汐反応に与える役割を調査すること。
• 大気に対する熱潮汐の合力トルクを評価し、惑星の回転および軌道進化に与える影響を検討すること。
• ガス惑星に弾性強度が欠如していることにより、金星の逆行回転を説明するメカニズムが無効になるかどうかを特定すること。

提案手法

• 対流的で気体の惑星における重力潮汐と熱潮汐の結合を、静水圧平衡および等圧補償の原則を用いて分析する。
• パスクアルの原理とアルキメデスの原理を適用し、大気柱密度の変化が対流圏内の質量再分配によってどのように補償されるかをモデル化する。
• 熱潮汐のネット質量四極モーメントを評価し、H/R（スケール高さと半径の比）の零次に、それがゼロに収束することを示す。
• 二次効果を検討し、四極モーメントが最も高温で最も膨張した領域と一致することで、アラス＆ソクラテスが主張したトルクとは逆方向のトルクが生じることを示す。
• 離心軌道における熱潮汐の遅れ位相を評価し、その軌道の円形化への影響を検討する。
• 次元解析およびオーダー・オブ・マグニチュードの議論を用いて、流体的応答が動的時効スケールでガス巨大惑星においてそのトルクが抑制されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金星の類似メカニズムを応用した場合、ホット・ジュピターにおける熱潮汐が非同期的回転を駆り立てる可能性はあるか？
• RQ2 ガス惑星に固体表面が存在しない場合、重力潮汐と熱潮汐の間の結合にどのような影響があるか？
• RQ3 静水圧および等圧補償を考慮した場合、大気に対する熱潮汐のネットトルクはどのようになるか？
• RQ4 熱潮汐の四極モーメントが、非同期的回転を強化するか、それとも逆方向のトルクを生じるか？
• RQ5 熱潮汐はホット・ジュピターの離心軌道をどの程度まで円形化させるか？

主な発見

• 対流内部における静水圧および等圧補償のため、H/Rの零次に、重力潮汐と熱潮汐の結合が消失する。
• 熱潮汐のネット質量四極モーメントは一次に抑制され、大気へのトルクは著しく小さくなる。
• 次のオーダーでは、四極モーメントが最も高温で最も膨張した領域と一致し、非同期的回転を反転させるトルクが生じる。
• この二次効果トルクは、同期的回転を強化し、アラス＆ソクラテスが提唱した効果とは逆方向に作用する。
• 離心軌道における熱潮汐の遅れ位相は、軌道の円形化に二次効果しか与えず、むしろ軌道を円形化する傾向がある。
• 金星の逆行回転を説明するメカニズムは、ガス巨大惑星には適用できない。これは、弾性強度の欠如と内部の流体的応答のためである。