[論文レビュー] Mantle Degassing Lifetimes through Galactic Time and the Maximum Age Stagnant-lid Rocky Exoplanets can Support Temperate Climates

Cayman T. Unterborn, Bradford J. Foley+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

High-pressure geophysics and materials参考文献 126被引用数 32

ひとこと要約

この論文は、銀河化学進化とモンテカルロ熱的進化シミュレーションを組み合わせることで、静的リッド型の岩石惑星におけるマントル脱ガスの寿命をモデル化し、40K、232Th、235U、238Uからの放射性熱によって惑星がどのように長期間にわたり温和な気候を維持できるかを推定している。悲観的仮定のもとで、観測済みの17個の岩石惑星のうちたった7個しか今日まで活発な脱ガスを継続していない可能性がなく、脱ガス寿命は初期の熱生成元素（HPE）の含有量と惑星質量に強く依存する。

ABSTRACT

The ideal exoplanets to search for life are those within a star's habitable zone. However, even within the habitable zone planets can still develop uninhabitable climate states. Sustaining a temperate climate over geologic ($\sim$Gyr) timescales requires a planet contain sufficient internal energy to power a planetary-scale carbon cycle. A major component of a rocky planet's energy budget is the heat produced by the decay of radioactive elements, especially $^{40}$K, $^{232}$Th, $^{235}$U and $^{238}$U. As the planet ages and these elements decay, this radiogenic energy source dwindles. Here we estimate the probability distribution of the amount of these heat producing elements (HPEs) that enter into rocky exoplanets through Galactic history, by combining the system-to-system variation seen in stellar abundance data with the results from Galactic chemical evolution models. Using these distributions, we perform Monte-Carlo thermal evolution models that maximize the mantle cooling rate. This allows us to create a pessimistic estimate of lifetime a rocky, stagnant-lid exoplanet can support a global carbon cycle and temperate climate as a function of its mass and when it in Galactic history. We apply this framework to a sample of 17 likely rocky exoplanets with measured ages, 7 of which we predict are likely to be actively degassing today despite our pessimistic assumptions. For the remaining planets, including those orbiting TRAPPIST-1, we cannot confidently assume they currently contain sufficient internal heat to support mantle degassing at a rate sufficient to sustain a global carbon cycle or temperate climate without additional tidal heating or undergoing plate tectonics.

研究の動機と目的

• 静的リッド型の岩石惑星がマントル脱ガスによって温和な気候を維持できる最大年齢を特定すること。
• 銀河化学進化が岩石惑星における熱生成元素（HPE）の初期含有量分布に与える影響を定量化すること。
• 内部熱が十分に残っているかどうかを推定することで、観測済みの系外惑星の居住可能性を評価すること。
• マントル水含量と潮汐加熱が脱ガス寿命をどのように延長するかを評価すること。
• 星のHPE含有量データに基づく観測的に制約された悲観的見積もりを、脱ガス寿命の推定に提供すること。

提案手法

• ヒパティアカタログからの星の含有量データと銀河化学進化モデルを組み合わせ、系外惑星における初期HPE含有量を推定する。
• 観測された系間の変動に基づき、HPE含有量（40K、232Th、238U/Eu）をモンテカルロサンプリングする。
• 更新された熱的進化モデルを用いて、最大冷却仮定のもとでマントル冷却と脱ガス速度をシミュレートする。
• 脱ガス寿命を、地球現在の脱ガス速度の10％未満に低下する時点として定義し、表面積に比例してスケーリングする。
• マントル水含量と固体化温度を変化させ、それらが脱ガス持続時間に与える影響を評価する。
• 17個の観測済みの岩石惑星（測定済みの年齢あり）に結果をスケーリングし、現在の居住可能性の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射性熱の減少を考慮した場合、静的リッド型の岩石惑星がマントル脱ガスと温和な気候を維持できる最大寿命は何か？
• RQ2 銀河の歴史を通じて、熱生成元素（HPE）の初期含有量はどのように変化し、惑星の熱的進化にどのように影響するか？
• RQ3 内部熱とHPE含有量について悲観的仮定をした場合、観測済みのどの系外惑星が今日まで活発に脱ガスしている可能性があるか？
• RQ4 マントル水含量は、脱ガス寿命と長期的な気候安定性にどのように影響するか？
• RQ5 より古い系外惑星において、恒常的な居住可能な状態を維持するには、潮汐加熱やプレートテクトニクスがどれほど必要となるか？

主な発見

• 悲観的仮定のもとで、観測済みの17個の岩石惑星のうちたった7個しか今日まで活発に脱ガスを継続していないと予測されており、これは依然としてグローバル炭素サイクルを支える可能性があることを示している。
• 脱ガス寿命は初期HPE含有量に強く依存しており、初期の銀河史に形成された惑星（HPE含有量が高い）は、より長い潜在的居住可能寿命を持つ。
• 地球質量の惑星では、初期40K含有量が地球と同等の場合に脱ガス寿命が最大になる。40Kを2倍または半分にすると、Agemaxは±2 Gyrずつ変化する。
• マントル水含量は複雑な影響を及ぼす：水は固体化温度を低下させ、溶融を促進するが、高濃度（0.2 wt%以上）では圧力が上昇し、脱ガスを抑制する可能性がある。
• 初期HPE含有量が高い惑星（例：地球の40Kの2倍）は、最大で約10 Gyrにわたり脱ガスを維持できるが、低HPE惑星は3〜5 Gyrのうちに脱ガスを停止する可能性がある。
• TRAPPIST-1惑星や他の高齢系の惑星は、潮汐加熱やプレートテクトニクスといった追加の熱源がない限り、脱ガスや温和な気候を維持しているとは自信をもって言えない。