[論文レビュー] New models of Jupiter in the context of Juno and Galileo

Florian Debras, G. Chabrier|Figshare|Jan 17, 2019

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ジュピターの内部構造モデルを新たに提示し、以前は矛盾すると考えられていたジュノの重力場測定値とガリレオのヘリウムおよび重元素濃度制約を同時に満たすものである。圧力数Mbar領域における水素の圧力イオン化およびH/Heの不混和による可能性のある内部構造の変化と、重元素濃度の内向き減少領域を組み込むことで、不自然な相対回転速度や便宜的な状態方程式の調整を必要とせず、高次の重力モーメントを再現するモデルが得られた。

ABSTRACT

Observations of Jupiter's gravity field by Juno have revealed surprisingly small values for the high order gravitational moments, considering the abundances of heavy elements measured by Galileo 20 years ago. The derivation of recent equations of state for hydrogen and helium, much denser in the Mbar region, worsen the conflict between these two observations. In order to circumvent this puzzle, current Jupiter model studies either ignore the constraint from Galileo or invoke an ad hoc modification of the equations of state. In this paper, we derive Jupiter models which satisfy both Juno and Galileo constraints. We confirm that Jupiter's structure must encompass at least four different regions: an outer convective envelope, a region of compositional, thus entropy change, an inner convective envelope and an extended diluted core enriched in heavy elements, and potentially a central compact core. We show that, in order to reproduce Juno and Galileo observations, one needs a significant entropy increase between the outer and inner envelopes and a smaller density than for an isentropic profile, associated with some external differential rotation. The best way to fulfill this latter condition is an inward decreasing abundance of heavy elements in this region. We examine in details the three physical mechanisms able to yield such a change of entropy and composition: a first order molecular-metallic hydrogen transition, immiscibility between hydrogen and helium or a region of layered convection. Given our present knowledge of hydrogen pressure ionization, combination of the two latter mechanisms seems to be the most favoured solution.

研究の動機と目的

• ジュピターの外層エンベロープにおけるジュノの高次の重力モーメント（J4–J10）とガリレオの測定ヘリウムおよび重元素濃度の矛盾する制約を同時に満たす。
• 従来のモデルが同時にジュノとガリレオの観測を満たせないという長年の難問を解消する。
• Mbar領域近傍の気体エンベロープ内で急激なエントロピー上昇と組成勾配を生じる物理的メカニズムを特定する。
• 多層構造、特に内向きに減少する重元素を有する組成遷移領域が観測と整合するための不可欠な要因であることを示す。
• 水素の圧力イオン化、H/Heの不混和、層状対流が、必要な内部構造を生じる物理的駆動力として妥当であるかを評価する。

提案手法

• ジュピター内部構造の自己自己整合的かつ球対称なモデルを計算するために、同心マクレーン・スフィア（CMS）法を採用する。
• 特にMbar領域での密度が向上した状態方程式（EOS）を用いて、水素およびヘリウムの熱力学的性質をモデル化する。
• 観測制約を組み込む：ジュノの測定重力モーメント（J2, J4–J10）およびガリレオの大気中濃度（YGal, ZGal）を固定境界条件として用いる。
• ジュノとガリレオの両方のデータを再現できるように、ヘリウムおよび重元素質量分率の半径方向プロファイルを体系的に変化させる。
• 内向きに減少するZおよびYを有する組成勾配領域（領域II）を導入し、極端な相対回転を必要とせず、局所的なエントロピー上昇を可能にする。
• 熱力学的および相安定性基準を用いて、一次的H/He遷移、不混和、層状対流の3つのメカニズムの物理的妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジュノの高次の重力モーメントとガリレオの測定された重元素濃度を同時に満たすために、どのような内部構造が必要か？
• RQ2 不自然に大きな相対回転を仮定せずに、ジュピターの気体エンベロープで顕著なエントロピー上昇がどのように生じるか？
• RQ3 水素の圧力イオン化、H/Heの不混和、または層状対流といった物理的メカニズムが、Mbar領域近傍で観測された組成勾配およびエントロピー勾配をどのように生じさせるか？
• RQ4 水素の金属化過程における相分離または核生成プロセスによって、観測された組成プロファイルはどの程度説明可能か？
• RQ5 重力場測定と大気組成の制約が、中心コアまたは希釈コアの存在とサイズの可能性をどの程度制限するか？

主な発見

• ジュピターの内部には、外側の対流エンベロープ、内向きに減少する重元素を有する組成遷移領域、内側の対流エンベロープ、および重元素で強化された希釈コアを含む、少なくとも4つの明確な領域が存在する必要がある。
• Mbar領域近傍での急激なエントロピー上昇—水素の圧力イオン化およびH/Heの不混和に起因する—が、高次の重力モーメントをジュノが観測した値にまで低下させるために不可欠である。
• Mbar領域で重元素濃度が内向きに減少するモデルが、ジュノのJ4–J10の値を最もよく再現し、ガリレオのZGalおよびYGal測定値とも整合する。
• H/Heの不混和と水素の圧力イオン化の組み合わせが、必要なエントロピーおよび組成勾配を生成する最も物理的に妥当なメカニズムである。
• 層状対流は、遷移が滑らかで温度が相分離の臨界点を下回る場合、代替的かつ妥当なメカニズムである。
• 従来の2層または3層モデルは、ジュノとガリレオの両方の制約を満たせず、これらの新規な発見を踏まえると陳腐化している。