[論文レビュー] Extrasolar Carbon Planets

Marc J. Kuchner, Sara Seager|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2005

Astro and Planetary Science参考文献 6被引用数 48

ひとこと要約

本稿では、原始惑星円盤のC/O比が太陽値の2倍程度に達する場合、炭素酸化物を含む低質量の太陽系外惑星（≤60 M⊕）が炭素を主体とする物質（炭化ケイ素やグラファイトなど）から形成可能であると提唱している。これらの炭素惑星——特にパルサーまたは白色矮星の周囲では——大気中のCO優位な特徴や、炭化水素を多く含む表面、もしくはタールに似た表面を示すなど、明確な分光的特徴を示し、地球型惑星とは明確に区別され、トランジット観測や大気研究による検出が可能な新しい種類の系外惑星を提供する。

ABSTRACT

We suggest that some extrasolar planets

研究の動機と目的

• 珪酸塩や水に代わって炭素化合物で主たる構成を占める新しい種類の系外惑星の形成を調査すること。
• 原始惑星円盤におけるC/O比のわずかな増加（太陽値の2倍程度）が、炭素を主体とする惑星の形成を引き起こすかどうかを調査すること。
• 炭素惑星と地球型惑星や水を多く含む惑星とを区別する観測可能な特徴——大気組成や表面特徴——を同定すること。
• パルサーや白色矮星、太陽型星の周囲で炭素惑星が形成される可能性を評価すること、特に金属量が多く、銀河中心部に近い環境において。
• 炭素惑星が長鎖炭化水素やタールに似た表面を有する可能性を評価し、それらが惑星の生命可能性や検出可能性に与える影響を検討すること。

提案手法

• C/O比が0.98以上に上昇した気体における平衡凝縮シーケンスを分析し、高温凝縮相が珪酸塩からグラファイトやSiCなどの炭素を主体とする化合物にシフトすることを示した。
• 局所的なC/O比の増加（特に恒星間物質からの粒子の堆積によって生じる）を伴う原始惑星円盤における惑星形成経路をモデル化した。
• 高温および電離放射線下での炭素化合物（例：ダイヤモンド、SiC）の安定性を評価し、脱ガス化から内部を保護する被膜の可能性を示唆した。
• 分光モデルを用いて、高温のネプチューン質量の炭素惑星は強力なCO吸収を示し、太陽組成の惑星と比較して水蒸気の乏しさが顕著であると予測した。
• 表面および大気の進化を検討し、光化学反応によって生成された炭化水素が、冷却された惑星の表面にタールに似た被膜を形成する可能性を示した。
• 銀河化学進化モデルを適用し、金属量の多い星や銀河のバルジ部で、炭素惑星がより多く形成される可能性があると推定した。特に重力レンズ効果やパルサー惑星系において。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽値の2倍程度のC/O比の上昇が、炭素化合物を主成分とする惑星の形成を引き起こすのか？
• RQ2 炭素惑星は、太陽組成の地球型惑星と比べて、どのような観測可能な分光的特徴を示すのか？
• RQ3 星の近傍で高温・高放射線環境に置かれた場合、SiC やダイヤモンドといった炭素を主体とする鉱物はどれほど安定しているのか？
• RQ4 パルサーや白色矮星、あるいは銀河の金属量の高い領域など、特定の環境で炭素惑星がより多く形成される可能性はあるか？
• RQ5 炭素惑星が長期間にわたって炭化水素やタールに似た有機化合物を保持できるのか？その表面および大気の特徴は何か？

主な発見

• 太陽値の2倍程度のC/O比の上昇により、凝縮シーケンスがシフトし、珪酸塩に代わってグラファイトや炭化ケイ素（SiC）などの高温炭素化合物が優位に形成される。
• 高温のネプチューン質量の炭素惑星は、太陽組成の惑星と比較して、強力なCO吸収と顕著な水蒸気の不足を示すと予測される。
• 冷却され、質量が小さい炭素惑星は、光化学的プロセスによって炭化水素を多く含む大気と、長鎖炭素化合物やタールに似た表面を示す可能性がある。
• ダイヤモンドやSiCは高い昇華温度を有するため、星に近い軌道でも、内部の脱ガス化を防ぐ保護被膜として機能できる。
• パルサー惑星や白色矮星惑星は、炭素を主体とする惑星である可能性が極めて高く、それらの形成環境が、破壊された炭素を主体とする星や白色矮星から炭素が豊富に供給された可能性がある。
• 金属量の多い星や銀河のバルジ部では、C/O比が高いため、炭素惑星はより多く形成されると予測される。特に重力レンズ効果の標本やパルサー惑星系において顕著である。