[論文レビュー] Evaporation rate of hot Jupiters and formation of Chthonian planets

G. Hébrard, A. Lecavelier des Étangs+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、極端な紫外線放射と潮汐力が、高温木星における強力な大気蒸発を引き起こし、10,000 K以上の温度で1–5×10¹¹ g s⁻¹の質量損失率を生じることを提案している。これは、短周期惑星の希少性を説明するとともに、大気の完全な蒸発後に残る岩石質の核、いわゆるチュソニアン惑星の存在を示唆している。

ABSTRACT

Among the hundred of known extrasolar planets, about 15% are closer than 0.1 AU from their parent stars. But there are extremely few detections of planets orbiting in less than 3 days. At this limit the planet HD209458b has been found to have an extended upper atmosphere of escaping hydrogen. This suggests that the so-called hot Jupiters which are close to their parent stars could evaporate. Here we estimate the evaporation rate of hydrogen from extrasolar planets in the star vicinity. With high exospheric temperatures, and owing to the tidal forces, planets evaporate through a geometrical blow-off. This may explain the absence of Jupiter mass planets below a critical distance from the stars. Below this critical distance, we infer the existence of a new class of planets made of the residual central core of former hot Jupiters, which we propose to call the ``Chthonian'' planets.

研究の動機と目的

• 3日未塔の公転周期を有する高温木星の観測上の希少性を、その予想される形成頻度とは一致しないことから説明すること。
• 上層大気における温度と重力に関する古くなった仮定を再検討することで、高温木星における大気質量損失の重要性を再評価すること。
• 蒸発した高温木星の残骸核からなる新規の系外惑星クラス、すなわちチュソニアン惑星を提唱すること。
• ローチ・ローブに基づく再定義された外部基準面を用いた改善されたジーン蒸発モデルを用いて、高温木星からの水素蒸発率を定量すること。

提案手法

• 黒体平衡温度の代わりに、星からの極端紫外線放射と冷却機構の間のエネルギー収支を用いて、上層大気温度の物理的根拠に基づく推定値を導入した。
• 外部基準面を、平均自由行程が惑星のローチ・ローブまでの距離を超える高さとして定義し、より正確な脱出フラックスの計算を可能にした。
• 粒子速度のボルツマン分布を用いて、ジーン蒸発理論を応用し、外部基準面温度の関数として水素脱出フラックスを計算した。
• 潮汐力が大気重力を変化させることを組み込んだ上で、公転距離と惑星質量の関数として高温木星の質量損失寿命を計算した。
• ハッブル宇宙望遠鏡のLy-α観測結果を用いて、最小10¹⁰ g s⁻¹の脱出フラックスを制約し、理論的予測と比較した。
• 星からの極端紫外線およびLy-α光子による加熱と、伝導、イオン化、蒸発による冷却をバランスさせることで、上層大気温度の最小値を約10,000 Kと推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ3日未塔の公転周期を有する高温木星が、その予想される形成頻度とは一致しないほど少ないのか？
• RQ2 強い星からの放射と潮汐力の下で、高温木星における大気質量損失の真の大きさは何か？
• RQ3 実際の上層大気温度を想定した理論的ジーン蒸発モデルは、HD 209458bからの観測された水素脱出を説明できるか？
• RQ4 高温木星の寿命は、質量と公転距離の関数としてどのように変化するのか？また、これは非常に短周期惑星の観測的希少性を説明できるか？
• RQ5 蒸発した高温木星の残骸核が新たな系外惑星クラスを形成できるか？その性質は何か？

主な発見

• HD 209458bのような高温木星の上層大気温度は、極端紫外線およびLy-α放射により、10,000 K以上に達すると推定され、従来の黒体推定値よりも顕著に高い。
• HD 209458bからの水素脱出フラックスは1–5×10¹¹ g s⁻¹と推定され、ハッブル宇宙望遠鏡のLy-α観測結果が示す10¹⁰ g s⁻¹の下限値と整合的である。
• 惑星の年齢が5×10⁹年であると仮定すると、HD 209458bは大気蒸発によって全体質量の1%～7%を失った可能性がある。
• 公転周期が2～3日未塔の高温木星は、急速な質量損失により非常に短い寿命を有するため、観測上の希少性が説明できる。
• 近軌道の低質量惑星に対しても同様に短い寿命が見込まれ、大気の組成が時間とともに顕著に変化する可能性があり、水素が乏しい、あるいは大気を欠いた残骸が生じる可能性がある。
• 理論的モデリングは、かつてガス惑星であった高温木星の密度の高い核が残った新たな系外惑星クラス、すなわちチュソニアン惑星の存在を支持する。