[論文レビュー] Extreme Water Loss and Abiotic O$_2$ Buildup On Planets Throughout the Habitable Zones of M Dwarfs

Rodrigo Luger, Rory Barnes|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2014

Astro and Planetary Science参考文献 121被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、約10億年以上経過したM型矮星の原始系列段階において、恒星のXUV放射が非常に強く、地上惑星が長期間にわたってランラントグリーンハウス状態に陥り、水の極端な損失（最大で10個分の地球海水）と、水蒸気の光分解と水素のヒドロダイナミック的脱出に起因する非生物的O₂の蓄積（数百〜数千バール）を引き起こす可能性があることを示している。O₂蓄積の速度は惑星質量に比例し、超地球では約25バール/Myrに達する。これは生命の誤検出（偽陽性）の原因となる可能性がある。

ABSTRACT

We show that terrestrial planets in the habitable zones of M dwarfs older than $\sim$ 1 Gyr could have been in runaway greenhouses for several hundred Myr following their formation due to the star's extended pre-main sequence phase, provided they form with abundant surface water. Such prolonged runaway greenhouses can lead to planetary evolution divergent from that of Earth. During this early runaway phase, photolysis of water vapor and hydrogen/oxygen escape to space can lead to the loss of several Earth oceans of water from planets throughout the habitable zone, regardless of whether the escape is energy-limited or diffusion-limited. We find that the amount of water lost scales with the planet mass, since the diffusion-limited hydrogen escape flux is proportional to the planet surface gravity. In addition to undergoing potential desiccation, planets with inefficient oxygen sinks at the surface may build up hundreds to thousands of bars of abiotically produced O$_2$, resulting in potential false positives for life. The amount of O$_2$ that builds up also scales with the planet mass; we find that O$_2$ builds up at a constant rate that is controlled by diffusion: $\sim$ 5 bars/Myr on Earth-mass planets and up to $\sim$ 25 bars/Myr on super-Earths. As a result, some recently discovered super-Earths in the habitable zone such as GJ 667Cc could have built up as many as 2000 bars of O$_2$ due to the loss of up to 10 Earth oceans of water. The fate of a given planet strongly depends on the extreme ultraviolet flux, the duration of the runaway regime, the initial water content, and the rate at which oxygen is absorbed by the surface. In general, we find that the initial phase of high luminosity may compromise the habitability of many terrestrial planets orbiting low mass stars.

研究の動機と目的

• M型矮星のハビタブルゾーン内の地上惑星に及ぼされる長期間にわたるランラントグリーンハウス状態の影響を調査すること。
• 恒星の原始系列段階におけるXUV駆動によるヒドロダイナミック的脱出に起因する大気中の水損失とO₂蓄積の程度を特定すること。
• 惑星質量、XUV放射、初期の水含量に依存する水損失とO₂蓄積の依存関係を分析することで、M型矮星系の惑星の生命可能性を評価すること。
• 非生物的O₂が生成される惑星が生命が存在しない可能性があるにもかかわらず、生命のバイオシグネチャーとして誤検出されるリスクを評価すること。

提案手法

• M型矮星の原始系列段階における極端なXUV放射の下で、惑星の大気からの水素および酸素のヒドロダイナミック的脱出をモデル化すること。
• エネルギー制限型と拡散制限型の脱出領域を用いて、水素および酸素の脱出速度を計算し、後者は惑星の表面重力に依存することを考慮する。
• 水蒸気の成層圏内での完全な光分解を仮定し、水素脱出フラックスと水の損失との関係を用いて、海洋損失の速度を導出すること。
• 水素脱出と酸素の保持に依存する大気中のO₂蓄積速度を計算し、酸素フラックスは拡散限界に達するまで上限があるものとする。
• 脱出速度と酸素圧蓄積のための解析的式を適用し、脱出がエネルギー制限型か拡散制限型かを決定する臨界XUV放射フラックス閾値（F_crit）を含む。
• パラメトリックモデルと数値解法を用いて、O₂蓄積と海洋損失が惑星質量、XUV放射、XUV吸収効率にどのように依存するかをシミュレーションすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M型矮星の原始系列段階におけるXUV放射が、ハビタブルゾーン内の地上惑星にどれほどランラントグリーンハウス状態と水損失を引き起こすか？
• RQ2 惑星質量は、ランラントグリーンハウス段階中の水素脱出速度とその後のO₂蓄積速度にどのように影響するか？
• RQ3 水損失に起因する非生物的O₂の蓄積量の最大値は何か？ また、これは惑星質量とXUV放射にどのように依存するか？
• RQ4 O₂蓄積速度が一定になる条件は何か？ そして、これは偽陽性バイオシグネチャーの可能性にどのように影響するか？
• RQ5 XUV吸収効率と初期の水含量の変動が、M型矮星周囲の惑星の最終的大気組成と生命可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 10億年以上経過したM型矮星のハビタブルゾーン内の惑星は、原始系列段階における高いXUV放射により、長期間にわたるランラントグリーンハウス状態に陥り、極端な水損失を経験した可能性がある。
• 海洋損失の速度は惑星質量に比例し、拡散制限型水素脱出フラックスは表面重力に比例するため、数億年間で最大で10個分の地球海水が失われる。
• 非生物的O₂蓄積は数百〜数千バールに達する可能性があり、地球質量の惑星では約5バール/Myr、超地球（5 M⊕）では最大で約25バール/Myrの速度に達する。
• 水素脱出が拡散制限型に達すると、XUV放射が臨界閾値を超えると、O₂蓄積速度は拡散限界に達して一定になる。
• GJ 667Ccのような5 M⊕の超地球では、最大で10個分の地球海水が失われることで、O₂蓄積が最大2000バールに達する可能性がある。
• 最終的大気組成と生命可能性は、XUV放射、ランラントグリーンハウス段階の持続時間、初期の水含量、表面における酸素の吸収源効率に強く依存する。