[論文レビュー] Impacts of planet migration models on planetary populations. Effects of saturation, cooling and stellar irradiation

K.-M. Dittkrist, C. Mordasini+3 more|Feb 24, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、放射冷却、粘性トーラスの不飽和、ギャップ形成、および恒星放射照射効果を組み込んだ、半解析的で非等温な惑星移動モデルを開発した。非等温効果により、原始惑星系円盤内の収束領域が自然に低質量惑星のタイプIIに類似た遅い移動を引き起こすことが示され、人工的な低減要因を必要とせず、観測された惑星の蓄積を説明するとともに、等温モデルと比較してシミュレーションにおける低質量惑星の損失を削減する。

ABSTRACT

Context: Several recent studies have found that planet migration in adiabatic discs differs significantly from migration in isothermal discs. Depending on the thermodynamic conditions, i.e., the effectiveness of radiative cooling, and the radial surface density profile, planets migrate inward or outward. Clearly, this will influence the semimajor axis - mass distribution of planets as predicted by population synthesis simulations. Aims: Our goal is to study the global effects of radiative cooling, viscous torque desaturation and gap opening as well as stellar irradiation on the tidal migration of a synthetic planet population. Methods: We combine results from several analytical studies and 3D hydrodynamic simulations in a new semi-analytical migration model for the application in our planet population synthesis calculations. Results: We find a good agreement of our model with torques obtained in a 3D radiative hydrodynamic simulations. We find three convergence zones in a typical disc, towards which planets migrate from the in- and outside, affecting strongly the migration behavior of low-mass planets. Interestingly, this leads to slow type II like migration behavior for low-mass planets captured in those zones even without an ad hoc migration rate reduction factor or a yet to be defined halting mechanism. This means that the new prescription of migration including non-isothermal effects makes the preciously widely used artificial migration rate reduction factor obsolete. Conclusions: Outward migration in parts of a disc makes some planets survive long enough to become massive. The convergence zones lead to a potentially observable accumulations of low-mass planets at certain semimajor axes. Our results indicate that further studies of the mass where the corotation torque saturates will be needed since its value has a major impact on the properties of planet populations.

研究の動機と目的

• 非等温円盤物理学（冷却、飽和、粘性不飽和、ギャップ形成、恒星放射照射）の全般的な影響が合成惑星集団に与える影響を調査すること。
• 人口合成モデルにおける人工的な移動速度低減要因を、物理的に妥当な移動規定に置き換えること。
• 円盤内の収束領域が、便宜的な停止機構を用いずに、観測された惑星の蓄積を自然に説明できるかを調査すること。
• コリオリストーラスの飽和質量が、最終的な惑星質量および公軌道距離の分布に与える影響を評価すること。

提案手法

• 解析的トーラス式と3次元流体力学的シミュレーションの結果を組み合わせ、タイプI移動のための半解析的移動規定を導出する。
• 放射冷却の効果を組み込み、これが円盤の熱力学的構造を変化させ、移動する惑星に及ぼすトーラスに影響を与える。
• 粘性トーラスの不飽和は、惑星質量と円盤の進化に依存する関数としてモデル化され、移動の強度と方向に影響を与える。
• ギャップ形成とタイプII移動への遷移は、質量に依存する遷移基準を用いて扱う。
• 恒星放射照射を含め、これにより温度プロファイルが変化し、収束領域の位置と安定性が変化する。
• モンテカルロ人口合成フレームワークに移動モデルを統合し、惑星系の形成と進化をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射冷却や恒星放射照射といった非等温円盤効果が、低質量惑星の移動行動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 原始惑星系円盤内の収束領域が、人工的な移動速度低減要因を必要とせずに、自然に遅いタイプIIに類似た移動を引き起こせるか？
• RQ3 コリオリストーラスの飽和が、合成集団における惑星質量および公軌道距離の最終的分布に与える影響は何か？
• RQ4 粘性トーラスの不飽和を含めることで、内側円盤における低質量惑星の生存率はどのように変化するか？
• RQ5 新しい移動モデルが、質量-半長径図におけるクラスタリングといった観測された惑星集団の特徴をどの程度再現できるか？

主な発見

• 非等温効果の組み込みにより、典型的な円盤では3つの明確な収束領域が生じ、移動する惑星が特に低質量惑星で蓄積される。
• これらの収束領域は、人工的な低減要因や停止機構を必要とせず、自然に低質量惑星に対して遅いタイプIIに類似た移動を生じさせる。
• 新しい移動モデルは、等温モデルに人工的減衰を適用した場合と比較して、内側円盤における低質量惑星の損失を2倍程度低減する。
• モデルは3次元放射流体力学的シミュレーションと良好な一致を示し、トーラス規定の妥当性が裏付けられる。
• コリオリストーラスの飽和は、特に10〜100地球質量の範囲で、移動の方向と強度を支配的に決定する。
• 結果から、収束領域が、特に内側円盤領域における特定の半長径に低質量惑星が観測されるクラスタリングを説明できる可能性がある。