[論文レビュー] Formation of planetary systems by pebble accretion and migration: How the radial pebble flux determines a terrestrial-planet or super-Earth growth mode

Michiel Lambrechts, Alessandro Morbidelli+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 137被引用数 65

ひとこと要約

Pebble流量が成長モードを決定する：低いPebble流量は地球型に近い緩慢な成長と最小限の移動をもたらし、一方で約2倍程度高い流量は急速な移動と内側近接系のスーパーアースの形成を引き起こす；ガス消失後の進化は、その後、地球系惑星へ分岐するか不安定なスーパーアース系へと分岐する。

ABSTRACT

Super-Earths are found in tighter orbits than the Earth's around more than one third of main sequence stars. It has been proposed that super-Earths are scaled-up terrestrial planets that formed similarly, through mutual accretion of planetary embryos, but in discs much denser than the solar protoplanetary disc. We argue instead that terrestrial planets and super-Earths have two distinct formation pathways that are regulated by the disc's pebble reservoir. Through numerical integrations, which combine pebble accretion and N-body gravity between embryos, we show that a difference of a factor of two in the pebble mass-flux is enough to change the evolution from the terrestrial to the super-Earth growth mode. If the pebble mass-flux is small, then the initial embryos within the ice line grow slowly and do not migrate substantially, resulting in a widely spaced population of Mars-mass embryos when the gas disc dissipates. Without gas being present, the embryos become unstable and a small number of terrestrial planets are formed by mutual collisions. The final terrestrial planets are at most 5 Earth masses. Instead, if the pebble mass-flux is high, then the initial embryos within the ice line rapidly become sufficiently massive to migrate through the gas disc. Embryos concentrate at the inner edge of the disc and growth accelerates through mutual merging. This leads to the formation of a system of closely spaced super-Earths in the 5 to 20 Earth-mass range, bounded by the pebble isolation mass. Generally, instabilities of these super-Earth systems after the disappearance of the gas disc trigger additional merging events and dislodge the system from resonant chains. The pebble flux - which controls the transition between the two growth modes - may be regulated by the initial reservoir of solids in the disc or the presence of more distant giant planets that can halt the radial flow of pebbles.

研究の動機と目的

• 地球型惑星とスーパーアースが、それぞれ異なるペブル駆動経路によって形成されるかどうかを動機づける。
• 統合されたペブル流量が胚の成長・移動・系の構成にどの程度影響するかを定量化する。
• 得られた惑星系のガス分 dispersion後の進化と安定性を探る。

提案手法

• ガス円盤、Type-I移動、離心率・傾斜減衰、ペブル捕獲の処方を組み込んだ修正版N体コード（SyMBA）を用いる。
• 原始惑星円盤を H/r=0.04、Sigma_g = 610 (r/AU)^-1/2 exp(-t/t_disc) g/cm^2、alpha=1e-4、t_disc=1 Myr、disc phase = 3 Myr としてモデル化する。
• Pebble flux F_peb(t) = F_peb,0 exp(-t/t_peb) を実装し、t_peb = t_disc、F_peb,nom = 120 M_E/Myr。
• 0.5–3 AU で初期総質量 0.25 M_E の月質量胚を25個シミュレート。
• Stokes数 tau_f = 3e-3 を一定と仮定し、ペブルのろ過と孤立質量 M_iso ≈ 10 (H/r)^3 M_E を許す。
• 低〜高流量域をカバーする4つのペブル流量系（runf1, runf3, runf5, runf9）を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合された内向きペブル流量は、系が地球型の地球型惑星を形成するか、コンパクトなスーパーアース系を形成するかを決定するのか？
• RQ2 円盤消散後の最終的な構造差異（質量、分離、共鳴）は低流量と高流量の結果でどう異なるか？
• RQ3 ガス円盤相において移動とペブル捕獲が互いにどのように作用して、消散後の進化をどう形作るか？
• RQ4 形成履歴・構造・大気に基づき、地球型惑星とスーパーアースを識別できる観測基準は何か？

主な発見

• 低いペブル流量（おおよそ 110 M_E 以下）では胚は約火星質量まで成長し移動はほとんど起きず、ガス分散後に広く間隔を空けた地球型惑星を生み出す。
• ペブル流量を約2倍に増加させると急速な移動と内側への集中を誘発し、内側円盤端（0.1 AU）付近に5–20 M_Eのスーパーアースのコンパクトな系を形成する。
• ペブル孤立質量（約10 M_E）は内側惑星の成長を止め、内側胚へのペブル流量を低下させ、最終質量と間隔に影響を与える。
• 円盤消散後の進化はスーパーアース系では強く不安定で、90%以上が合体と非共振軌道を経る一方、地球型系は巨大衝突を通じて地球〜火星サイズの惑星を数10 Myrにわたり形成する。
• 地球型成長はより広い軌道に小さな大気を持つ惑星を生む一方、スーパーアース成長は内側の惑星を生み出し、太陽風照射で失われない限り原始的なH/Heの包盒を持つ可能性が高い。
• 最終的な系はガス円盤中にコンパクトな配置を示し、多くの惑星対が一階共鳴（例: 4:3）付近にあるが、分散後の不安定化により共鳴チェーンは崩れる。