[論文レビュー] Highly Volcanic Exoplanets, Lava Worlds, and Magma Ocean Worlds: An Emerging Class of Dynamic Exoplanets of Significant Scientific Priority

W. G. Henning, Joe P. Renaud+40 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、高温の熱放射と短い公軌道周期のおかげで、近い将来の特徴付けが可能であるため、溶岩惑星やマグマ海洋惑星を含む高揮発性の系外惑星が、岩石惑星の中でも優先度の高いクラスであると提唱している。これらの惑星は、溶岩のプロセスにまで到達可能な分光的アクセスを提供することで、惑星形成、内部組成、初期地球型の地殻力学的プロセスに関する独自の知見をもたらす。

ABSTRACT

Highly volcanic exoplanets, which can be variously characterized as 'lava worlds', 'magma ocean worlds', or 'super-Ios' are high priority targets for investigation. The term 'lava world' may refer to any planet with extensive surface lava lakes, while the term 'magma ocean world' refers to planets with global or hemispherical magma oceans at their surface. 'Highly volcanic planets', including super-Ios, may simply have large, or large numbers of, active explosive or extrusive volcanoes of any form. They are plausibly highly diverse, with magmatic processes across a wide range of compositions, temperatures, activity rates, volcanic eruption styles, and background gravitational force magnitudes. Worlds in all these classes are likely to be the most characterizable rocky exoplanets in the near future due to observational advantages that stem from their preferential occurrence in short orbital periods and their bright day-side flux in the infrared. Transit techniques should enable a level of characterization of these worlds analogous to hot Jupiters. Understanding processes on highly volcanic worlds is critical to interpret imminent observations. The physical states of these worlds are likely to inform not just geodynamic processes, but also planet formation, and phenomena crucial to habitability. Volcanic and magmatic activity uniquely allows chemical investigation of otherwise spectroscopically inaccessible interior compositions. These worlds will be vital to assess the degree to which planetary interior element abundances compare to their stellar hosts, and may also offer pathways to study both the very young Earth, and the very early form of many silicate planets where magma oceans and surface lava lakes are expected to be more prevalent. We suggest that highly volcanic worlds may become second only to habitable worlds in terms of both scientific and public long-term interest.

研究の動機と目的

• 今後の観測的・理論的調査の対象として、溶岩惑星やマグマ海洋惑星を含む高揮発性の系外惑星を優先クラスとすべきであることを主張すること。
• これらの惑星が惑星形成、内部組成、初期地殻力学的プロセスの理解にいかに科学的価値をもたらすかを強調すること。
• これらの惑星が、高い昼側放射フラックスのおかげで赤外線領域で特徴付け可能であり、熱的・大気的特性がホット・ジュピターと同等に評価可能であることを示すこと。
• 火山活動やマグマ活動が、分光法によって通常は到達できない内部組成を調べる道筋を提供することを主張すること。
• これらの動的で活発な系外惑星が、生命可能な惑星に次いで長期的に科学的・一般の関心を引く存在であると位置づけること。

提案手法

• 赤外線領域での検出可能性を評価するため、高揮発性の系外惑星の熱放射とアルベドをモデル化すること。
• 既知の系外惑星の公軌道的・物理的特性を分析し、短い公軌道周期と高い表面温度を持つ候補を特定すること。
• トランジット光度測定法および2次食法を用いて、惑星の明るさと熱的構造を推定すること。
• 地球物理学的・地球化学的モデルを用いて、ボルケーニックガス放出、マグマ海洋の力学的挙動、表面組成を予測すること。
• これらの惑星の大気中に存在するマグマ由来物質（例：SiO、MgO、Al2O3）の分光的可視性を評価すること。
• 惑星の内部元素組成をその中心星の組成と比較することで、集積および分離プロセスを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような物理的・熱的特性が、溶岩惑星やマグマ海洋惑星を、現在および近い将来の宇宙望遠鏡によって特徴付け可能にしているのか。
• RQ2 これらの系外惑星におけるマグマプロセスは、惑星形成および初期地殻力学的進化の理解にどのように寄与するか。
• RQ3 火山ガス放出および表面組成は、どの程度分光法によって調べられるのか。
• RQ4 これらの惑星の内部組成は、その中心星の組成と比べてどうなっており、これは惑星形成に何を明らかにするか。
• RQ5 これらの惑星は、初期の地球やケイ酸塩惑星形成におけるマグマ海洋の広がりを理解する上で果たす役割は何か。

主な発見

• 高揮発性の系外惑星は、検出可能性を高めるために短い公軌道周期に偏って存在している。
• これらの惑星は昼側に強い赤外線フラックスを示し、ホット・ジュピターに用いられる手法と同等の特徴付け手法が可能である。
• 火山活動やマグマ活動は、通常は分光的に到達できない内部組成を調べる唯一の手段を提供する。
• マグマ海洋や溶岩湖の表面は、若いケイ酸塩惑星においてより広範に見られるものと予想され、初期惑星進化の研究にとって不可欠な対象である。
• これらの惑星の物理的状態は、地殻力学的プロセス、惑星分離、コア形成のメカニズムを理解する手がかりを提供する。
• これらの系外惑星は、動的で観測可能な性質を有するため、科学的および一般の関心において、生命可能な惑星に次いで第二位の位置を占めるものと予想される。