[論文レビュー] Connecting planet formation and astrochemistry: C/O and N/O of warm giant planets and Jupiter-analogs

A. Cridland, E. F. van Dishoeck+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 88被引用数 5

ひとこと要約

本研究は原始惑星系円盤の化学的進化をモデル化し、温かいガス巨大惑星（0.5–4 AU）におけるC/OおよびN/O比を予測する。その結果、ジュピターは化学的組成の不一致のため、数十AUを超える領域で形成された可能性が高いと示された。モデルは固体降着と大気中のC/O比の主系列関係を確認し、高金属性の円盤では化学的散らばりが大きくなることを示し、惑星の大気を形作る上で炭素難揮発性物質の侵食前線の位置が極めて重要であることを強調した。

ABSTRACT

(Abridged) The chemical composition of planetary atmospheres has long been thought to store information regarding where and when a planet accretes its material. Predicting this chemical composition theoretically is a crucial step in linking observational studies to the underlying physics that govern planet formation. As a follow-up to a study of hot Jupiters in our previous work, we present a population of warm Jupiters (semi-major axis between 0.5-4 AU) extracted from the same planetesimal formation population synthesis model as used in our previous work. We compute the astrochemical evolution of the protoplanetary disks included in this population to predict the carbon-to-oxygen (C/O) and nitrogen-to-oxygen (N/O) ratio evolution of the disk gas, ice, and refractory sources, the accretion of which greatly impacts the resulting C/O and N/O in the atmosphere of giant planets. We confirm that the main sequence (between accreted solid mass and atmospheric C/O) we found previously is largely reproduced by the presented population of synthetic warm Jupiters. And as a result, the majority of the population fall along the empirically derived mass-metallicity relation when the natal disk has solar or lower metallicity. Planets forming from disks with high metallicity ([Fe/H] $>$ 0.1) result in more scatter in chemical properties which could explain some of the scatter found in the mass-metallicity relation. Combining predicted C/O and N/O ratios shows that Jupiter does not fall among our population of synthetic planets, suggesting that it likely did not form in the inner 5 AU of the solar system before proceeding into a Grand Tack. This result is consistent with recent analysis of the chemical composition of Jupiter's atmosphere which suggests that it accreted most of its heavy element abundance farther than tens of AU away from the Sun.

研究の動機と目的

• 原始星系円盤の宇宙化学的進化モデルを用いて、温かいガス巨大惑星（0.5–4 AU）におけるC/OおよびN/O比を予測すること。
• 微惑星の降着による内側の円盤（5AU以内）での形成が、ジュピターの観測された大気組成と整合するかどうかを検証すること。
• 炭素難揮発性物質の侵食前線の変化が、惑星の大気化学に与える影響を調査すること。
• 円盤の金属性が観測された質量-金属性関係およびC/O関係の散らばりに与える影響を評価すること。
• 今後の望遠鏡（JWST や ARIEL など）による温かいジュピターの化学的特徴付けの可能性を検討すること。

提案手法

• 0.5–4 AUの半長径を持つ合成的温かいジュピターを生成するため、微惑星形成のパopulation合成モデルを用いる。
• 円盤ガス、氷、難揮発性物質の宇宙化学的進化をシミュレートし、時間に依存するC/OおよびN/O比を計算する。
• 金属性に依存する円盤特性を組み込み、形成中の惑星への固体（氷および難揮発性物質）の降着を追跡する。
• 炭素難揮発性物質の侵食前線の位置に感度を確認するために、2つの炭素難揮発性物質の侵食モデルを適用する。
• 予測されたC/OおよびN/O比を、ジュピターおよび他の系外惑星（WASP-167eを含む）の観測値と比較する。
• 大気の深部混合をモデル化する際の制限を認識しつつも、固定された大気質量カットオフを用いて難揮発性物質の惑星大気への供給を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微惑星の降着によって内側の円盤（5AU以内）で形成された場合、観測されたジュピターのC/OおよびN/O比を再現できるか？
• RQ2 金属性が高めの円盤（[Fe/H] > 0.1）は、観測された質量-金属性関係およびC/O関係の散らばりにどのように影響するか？
• RQ3 炭素難揮発性物質の侵食前線をシフトさせると、ガス巨大惑星のC/O比にどのような影響を与えるか？
• RQ4 なぜ温かいジュピターはネプチューン型惑星と比べて、難揮発性物質の降着に対して異なる感受性を示すのか？
• RQ5 軌道的および観測的制約を考慮した場合、JWST や ARIEL による将来的な化学的特徴付けに最も適した系外惑星はどれか？

主な発見

• 合成された温かいジュピターは、固体降着質量と大気中のC/O比の観測された主系列関係を再現し、モデルフレームワークの妥当性を裏付けた。
• ジュピターの大気中のC/OおよびN/O比は、5AU以内での形成によって予測される値と一致せず、ジュピターは数十AUを超える領域で形成された可能性が高いと示唆された。
• 高金属性の円盤（[Fe/H] > 0.1）は、C/OおよびN/O比の散らばりが大きくなることを示し、質量-金属性関係の観測された散らばりを説明する要因となり得る。
• 炭素難揮発性物質の侵食前線をシフトさせると、ジュピターおよびネプチューン型惑星のC/O比に顕著な影響を与えるが、バランスの取れた炭素と酸素の降着があるため、温かい土星型惑星には小さい影響にとどまる。
• N/O比の組み込みにより、ジュピターが内側の円盤で形成されていないという結論がさらに強化され、Oberg & Wordsworth（2019）およびBosmanら（2019）による独立的な化学的分析とも整合的である。
• 炭素難揮発性物質の侵食前線の外側でのみ大気を降着する惑星はまれであり、大多数のガス巨大惑星は難揮発性物質と気体の両方からの寄与を経験していることが示された。