[論文レビュー] Dust in brown dwarfs and extra-solar planets V. Cloud formation in carbon- and oxygen-rich environment

Ch. Helling, D. Tootill+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 39被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、炭素過剰な系外惑星および褐色矮星の大気における、炭素を含む雲形成の最初の運動論的モデルを提示する。Drift-Phoenixフレームワークを拡張し、炭素核の形成およびC、TiC、SiC、KCl、MgSの凝縮を含めた。炭素過剰な大気では、ガス相元素の脱結合が少なく、雲粒子が少ないが大きく炭素優位であることが判明し、特徴のない連続スペクトルと、HCN/C₂H₂の特徴が強調される。これは、WASP-12bのような惑星の透過スペクトルを解釈する上で重要な要因である。

ABSTRACT

Recent observations indicate potentially carbon-rich exoplanet atmospheres. Spectral fitting methods for brown dwarfs and exoplanets have invoked the C/O ratio as additional parameter but carbon-rich cloud formation modeling is a challenge for the models applied. The determination of the habitable zone for exoplanets requires the treatment of cloud formation in chemically different regimes. Disk models show that carbon-rich or near-carbon-rich niches may emerge and cool carbon planets may trace these particular stages of planetary evolution. We extend our kinetic cloud formation model by including carbon seed formation and the formation of C[s], TiC[s], SiC[s], KCl[s], and MgS[s] by gas-surface reactions. The seed formation efficiency is lower in carbon-rich atmospheres than in oxygen-rich gases due to carbon being a very effective growth species. The consequence is that less particles will make up a cloud for C/O_0>1. The cloud particles will be smaller in size than in an oxygen-rich atmosphere. An increasing initial C/O ratio does not revert this trend because a much greater abundance of condensible gas species exists in a rich carbon environment. Cloud particles are generally made of a mix of materials: carbon dominates if C/O_0>1 and silicates dominate if C/O_0<1. 80-90% carbon is reached only in extreme cases where C/O_0=3.0 or 10.0. Carbon-rich atmospheres would form clouds that are made of particles of height-dependent mixed compositions, sizes and numbers. The remaining gas-phase is far less depleted than in an oxygen-rich atmosphere. Typical tracer molecules are HCN and C2H2 in combination with a featureless, smooth continuum due to a carbonaceous cloud cover, unless the cloud particles become crystalline.

研究の動機と目的

• C/O比が変化する大気における雲形成をモデル化すること、特にC/O > 1の炭素過剰状態（系外惑星でますます観測される）を対象とすること。
• 酸素過剰環境とは根本的に異なる粒子形成および組成を示す炭素過剰環境における運動論的雲モデルの欠如に応えること。
• 惑星および褐色矮星の大気における、高さと初期C/O比に応じた雲の性質（粒子サイズ、組成、数密度）の変化を特定すること。
• 炭素過剰雲が大気スペクトルに与える影響、特にC/O比が高い惑星（例：WASP-12b や 55 Cnc e）に対して評価すること。
• 雲に起因する元素の脱結合の役割と、HCN や C₂H₂ などの複雑な炭素含有分子の出現を評価すること。

提案手法

• 炭素含有種の気体-表面反応を含む運動論的雲形成モデルを拡張した。具体的には、C[s]、TiC[s]、SiC[s]、KCl[s]、MgS[s] を対象とした。
• 事前に定義されたDrift-Phoenixの大気構造に従い、粒子モーメント方程式系と元素保存則を連立して解いた。
• 初期C/O比（0.43～10.0）の範囲で、核形成、粒子成長・蒸発、重力的沈降、元素の脱結合を追跡した。
• 1次元の大気構造を用いて、高さに依存する雲の性質と化学的領域全体における組成をシミュレートした。
• 放射および熱的効果が粒子安定性に与える影響を組み込み、特に高温で密度の高い領域でダイヤモンドへの結晶化の可能性も検討した。
• 酸素過剰系の結果と比較し、粒子数、サイズ、組成、ガス相脱結合の違いを明確にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C/O > 1の炭素過剰大気では、酸素過剰大気と比較して、粒子数、サイズ、組成の点でどのように雲形成が異なるか？
• RQ2 炭素過剰環境における炭素核形成の効率はどの程度か？ そして、これが全体の雲粒子濃度にどのように影響するか？
• RQ3 炭素過剰大気において、雲粒子の組成は高さに応じてどのように変化するか？ また、異なるC/O比において、どの物質が支配的になるか？
• RQ4 ガス相元素は、炭素過剰雲においてどの程度脱結合するか？ そして、この脱結合は、HCN や C₂H₂ といった観測可能な分子特徴にどのように影響するか？
• RQ5 雲に覆われた炭素過剰系外惑星のスペクトル的特徴（連続スペクトルの形状や分子吸収帯など）は、どのようなものになるか？

主な発見

• C/O₀ > 1の炭素過剰大気では、炭素の高い凝縮性のため、酸素過剰大気と比較して核形成が非効率であり、結果として雲粒子の数が少ない。
• 粒子数が少ないにもかかわらず、炭素過剰大気の雲粒子はより大きく、炭素で支配的であり、C/O₀ = 3.0 または 10.0 の極端な状態に達するまでに80–90%の炭素含有量に達する。
• 粒子数密度が低く、凝縮性ガスの含有量が高いことから、炭素過剰雲ではFe や O といった元素のガス相脱結合が、酸素過剰系と比較して顕著に小さい。
• 炭素過剰大気の雲粒子は通常、混合組成を示し、C/O₀ > 1 では炭素が支配的であり、C/O₀ < 1 ではケイ酸塩が支配的であるが、極端なC/O₀ではほぼ純粋な炭素粒子が形成される。
• スペクトル的特徴は、HCN と C₂H₂ に支配され、炭素質雲の被覆により滑らかで特徴のない連続スペクトルが得られる。ただし、ダイヤモンドへの結晶化が起これば例外となる。
• アモルファス炭素がダイヤモンドに結晶化することで、光学的性質が劇的に変化し、雲の光学的密度が低下し、スペクトルの外観が変化する可能性がある。