[論文レビュー] Dynamical rearrangement of super-Earths during disk dispersal I. Outline of the magnetospheric rebound model

Beibei Liu, Chris W. Ormel+1 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Feb 7, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 81被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、ガス惑星環の分散期に拡大する磁気圏キャビティによって駆動される外部への移動が、スーパーアース系の動的再配置を引き起こし、平均運動共鳴から惑星を外す磁気圏リバウンドモデルを提案する。このモデルは、質量順序と恒星の磁場強度が最終的な公軌道周期比を決定することを示し、ディスク移動理論とケプラー観測による非共鳴的スーパーアース系との矛盾を解消する。

ABSTRACT

The Kepler mission has discovered that multiple close-in super-Earth planets are common around solar-type stars, but their period ratios do not show strong pile-ups near mean motion resonances (MMRs). One scenario is that super-Earths form in a gas-rich disk, and they interact gravitationally with the surrounding gas, inducing their orbital migration. Disk migration theory predicts, however, that planets would end up at resonant orbits due to their differential migration speed. Motivated by the discrepancy between observation and theory, we seek for a mechanism that moves planets out of resonances. We examine the orbital evolution of planet pairs near the magnetospheric cavity during the gas disk dispersal phase. Our study determines the conditions under which planets can escape resonances. We perform two-planet N-body simulations, varying the planet masses, stellar magnetic field strengths, disk accretion rates and gas disk depletion timescales. As planets migrate outward with the expanding magnetospheric cavity, their dynamical configurations can be rearranged. Migration of planets is substantial (minor) in a massive (light) disk. When the outer planet is more massive than the inner planet, the period ratio of two planets increases through outward migration. On the other hand, when the inner planet is more massive, the final period ratio tends to remain similar to the initial one. Larger stellar magnetic field strengths result in planets stopping their migration at longer periods. We highlight extit{magnetospheric rebound} as an important ingredient able to reconcile disk migration theory with observations. Even when planets are trapped into MMR during the early gas-rich stage, subsequent cavity expansion would induce substantial changes to their orbits, moving them out of resonance.

研究の動機と目的

• ディスク移動理論が共鳴捕獲を予測するのに対し、ケプラー観測では平均運動共鳴にあるスーパーアースがほとんど見られないという矛盾を解消すること。
• 惑星形成の後期段階において、ディスクの分散および磁気圏キャビティの拡大が、惑星の公軌道配置に与える影響を調査すること。
• 特に質量順序と恒星の磁場強度に注目し、惑星が共鳴状態から脱出する条件を特定すること。
• ケプラー170およびケプラー180のような実際の系にモデルを適用し、ディスクと恒星のパラメータを分散期に推定すること。
• スーパーアースが局所形成または移動によって形成されても、最終的に観測された非共鳴的構造を持つ状態に到達できるメカニズムを提供すること。

提案手法

• 磁気圏キャビティと周囲のディスクの界面における片側のトルクを計算することで、タイプI移動理論を拡張する。
• 新しいトルク式を用いた二惑星N体シミュレーションを実施し、惑星質量、ディスク降着率（$\dot{M}_{\rm g}$）、ディスク減少 timescales（$\tau_{\rm d}$）、および恒星の磁場強度（$B_\ast$）を変化させる。
• 惑星-ディスク相互作用に対して線形近似を適用し、ギャップを開かない条件を仮定する。これは、低質量のスーパーアース（$M_{\rm p} \lesssim 10M_{\oplus}$）が乱流的で高温のディスク内に存在する場合に有効である。
• ケプラー170およびケプラー180にモデルを適用し、観測された周期比をもとに、ディスク分散期における初期のディスクおよび恒星パラメータを推定する。
• 移動 timescales とキャビティ拡大 timescales の相対関係を分析し、動的進化を評価する。
• シミュレーション全体を通してヒル安定性を仮定し、ディスク後における二惑星系の動的不安定性が発生しないことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡大する磁気圏キャビティによる外部移動が、ケプラーのスーパーアースで観測された共鳴のピークの欠如を説明できるか？
• RQ2 惑星の質量順序（内側対外側）が、キャビティ駆動移動後の最終的な周期比にどのように影響するか？
• RQ3 恒星の磁場強度が、スーパーアースの最終的な公軌道位置にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 磁気圏リバウンドモデルは、ケプラー170やケプラー180のような既知の系の観測された構造を再現できるか？
• RQ5 観測された周期比に一致させるために、多惑星スーパーアース系のディスクと恒星のパラメータは、分散期にどのような値をとる必要があるか？

主な発見

• 質量の大きなディスク（$\dot{M}_{\rm g}$ が大きく、$\tau_{\rm d}$ が長い）では外部移動が顕著だが、軽いディスク（$\dot{M}_{\rm g}$ が小さく、$\tau_{\rm d}$ が短い）では無視できるほど小さく、公軌道の変化は最小限にとどまる。
• 外側の惑星が内側の惑星よりも質量が大きい場合、外部移動により周期比が顕著に増加し、初期の共鳴状態が破壊される。
• 内側の惑星がより質量が大きい場合、最終的な周期比は初期値に近く保たれ、元の構造が維持される。
• 強い恒星磁場はより大きな磁気圏キャビティを生じさせ、惑星がより長い公軌道周期で移動を停止することをもたらす。
• 本モデルは、ケプラー170およびケプラー180の観測された構造を成功裏に再現でき、ディスクと恒星のパラメータを分散期に推定可能である。
• 磁気圏リバウンド機構により、スーパーアースがガス豊富な段階に形成されても、恒久的な共鳴捕獲を避けられる道筋が提供され、理論とケプラー観測を調和させる。