[論文レビュー] Planet Formation Theory in the Era of ALMA and Kepler: from Pebbles to Exoplanets

Joanna Drążkowska, Bertram Bitsch+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 56

ひとこと要約

この章は、ALMAとKeplerの観測が塵の進化、ペブルとプラネテシマの降着、および多様な惑星系の母集団合成をどのように制約するかを概説し、ディスクと外惑星を結びつける。

ABSTRACT

Our understanding of planet formation has been rapidly evolving in recent years. The classical planet formation theory, developed when the only known planetary system was our own Solar System, has been revised to account for the observed diversity of the exoplanetary systems. At the same time, the increasing observational capabilities of the young stars and their surrounding disks bring new constraints on the planet formation process. In this chapter, we summarize the new information derived from the exoplanets population and the circumstellar disks observations. We present the new developments in planet formation theory, from dust evolution to the growth of planetary cores by accretion of planetesimals, pebbles, and gas. We review the state-of-the-art models for the formation of diverse planetary systems, including the population synthesis approach which is necessary to compare theoretical model outcomes to the exoplanet population. We emphasize that the planet formation process may not be spatially uniform in the disk and there are preferential locations for the formation of planetesimals and planets. Outside of these locations, a significant fraction of solids is not growing past the pebble-sizes. The reservoir of pebbles plays an important role in the growth of planetary cores in the pebble accretion process. The timescale of the emergence of massive planetary cores is an important aspect of the present models and it is likely that the cores within one disk form at different times. In addition, there is growing evidence that the first planetary cores start forming early, during the circumstellar disk buildup process.

研究の動機と目的

• 惑星系の人口動態が惑星形成理論をどのように制約するかを概要化する。
• 初期の惑星形成段階に関する周囲星円盤からの観測制約を統合する。
• 統一的な枠組みの中でコア、ペブル、ガス降着モデルの発展を概要化する。

提案手法

• 超地球、ミニネプチューヌ、巨大惑星といった系外惑星統計、および塵/ガス質量、サイズ、サブ構造といった円盤観測からの制約を論じる。
• ペブルとプラネテシマ降着の枠組みと固体の半径方向再配分を説明する。
• 人口合成を、理論と系外惑星集団を比較する道具として説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星の人口動態は、コアとガス降着の効率と時間スケールに対して何を示唆するか？
• RQ2 円盤のサブ構造と塵の進化は、どこでいつプラネテシマや惑星が形成されるかをどう示唆するか？
• RQ3 ペブル降着とプラネテシマ降着を、観測された惑星系の構造を再現するために人口合成フレームワーク内でどのように整合させることができるか？

主な発見

• 系外惑星の人口動態は、太陽型星に対して1 au内で140–200%程度の出現頻度を持つ、支配的な超地球とミニネプチューヌの集団を示している（バイアス補正後）。
• 1 au内では巨大小惑星は比較的希少で、主に1–10 auで最も一般的であり、長周期の巨人は最大で25 auまで検出され、いくつかの調査では2–3 au付近で反転が見られる。
• Keplerの多惑星系は通常、等間隔に配置され、相互傾斜が低く、共鳴連鎖にはあることが多くはない。
• ディスク観測はサブ構造（ギャップ、リング、スパイラル）を明らかにし、惑星形成がディスクの組み立て時期前後にも進行していることを示唆し、質量予算はかなりの量の固体/塵質量を示すが不確かなままである。
• 塵の成長と半径方向のドリフトが evident であり、ディスクは塵ではガスより小さく、サブ構造がドリフトを緩和する可能性がある。
• ディスクの乱れは概して低～中程度で（αは概ね10^-4～3×10^-3）、高さと半径により変化し、惑星形成の効率に影響を与える。