[論文レビュー] Planetary evolution with atmospheric photoevaporation

C. Mordasini|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 135被引用数 114

ひとこと要約

この論文は、近軌域の低質量系外惑星のオーロラ大気の光分解蒸発をモデル化することで、『蒸発の谷』—超地球型と準海 Neptune 型を分ける系外惑星の半径の二峰性分布—の起源を解析的および数値的に調査する。谷の下端、つまり剥ぎ取られたコア半径 Rbare の最大値が、星の XUV 照度（LXUV^0.135）とコア質量に弱く依存することを導出し、初期の H/He 璧質量が異なるにもかかわらず、さまざまなモデルで谷が明確に観測される理由を説明する。

ABSTRACT

Context. Observations by the Kepler satellite have revealed a gap between larger sub-Neptunes and smaller super-Earths that atmospheric escape models had predicted as an evaporation valley prior to discovery. Aims. We seek to contrast results from a simple X-ray and extreme-ultraviolet (XUV)-driven energy-limited escape model against those from a direct hydrodynamic model. The latter calculates the thermospheric temperature structure self-consistently, including cooling effects such as thermal conduction. Besides XUV-driven escape, it also includes the boil-off escape regime where the escape is driven by the atmospheric thermal energy and low planetary gravity, catalysed by stellar continuum irradiation. We coupled these two escape models to an internal structure model and followed the planets’ temporal evolution. Methods. To examine the population-wide imprint of the two escape models and to compare it to observations, we first employed a rectangular grid, tracking the evolution of planets as a function of core mass and orbital period over gigayear timescales. We then studied the slope of the valley also for initial conditions derived from the observed Kepler planet population. Results. For the rectangular grid, we find that the power-law slope of the valley with respect to orbital period is −0.18 and −0.11 in the energy-limited and hydrodynamic model, respectively. For the initial conditions derived from the Kepler planets, the results are similar (−0.16 and −0.10). While the slope found with the energy-limited model is steeper than observed, the one of the hydrodynamic model is in excellent agreement with observations. The reason for the shallower slope is caused by the two regimes in which the energy-limited approximation fails. The first one are low-mass planets at low-to-intermediate stellar irradiation. For them, boil-off dominates mass loss. However, boil-off is absent in the energy-limited model, and thus it underestimates escape relative to the hydrodynamic model. The second one are massive compact planets at high XUV irradiation. For them, the energy-limited approximation overestimates escape relative to the hydrodynamic model because of cooling by thermal conduction, which is neglected in the energy-limited model. Conclusions. The two effects act together in concert to yield, in the hydrodynamic model, a shallower slope of the valley that agrees very well with observations. We conclude that a hydrodynamic escape model that includes boil-off and a more realistic treatment of cooling mechanisms can reproduce one of the most important constraints for escape models, the valley slope.

研究の動機と目的

• 蒸発の谷の位置を半径-軌道距離平面上で解析的に導出すること。
• 谷の位置が惑星コア質量、初期 H/He 璧質量、星の XUV 照度にどのように依存するかを理解すること。
• 観測された谷の形状を、光分解蒸発などの物理的プロセスと結びつけることで、惑星形成モデルを制約すること。

提案手法

• コア質量、軌道分離、初期 H/He 質量が異なる近軌域の低質量惑星における大気脱出を数値的にシミュレートする。
• 効率係数 ε を用いたエネルギー制限光分解蒸発理論を用いて質量損失をモデル化する。
• 完全な蒸発が発生するのは、吸収された XUV 照度の積分値が、大気の束縛エネルギーを超える条件に基づく解析的モデルを構築する。
• 惑星内部構造と熱力学をモデル化するために ANEOS 状態方程式を用いる。
• コア質量、軌道距離、大気組成のグリッドを用いたパラメータスタディを実施する。
• 一定の ε および Mc ∝ Rpc^c を仮定した場合、Rbare が軌道周期 P に対して P^−0.18 のスケーリングに従うことを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発の谷の下端（Rbare）は、星の XUV 照度にどのように依存するか？
• RQ2 Rbare は惑星の初期 H/He 質量にどのように依存するか？
• RQ3 初期条件が異なるにもかかわらず、蒸発の谷が観測で非常に明確に見えるのはなぜか？
• RQ4 エネルギー制限蒸発の効率係数 ε は、谷の形状にどのように影響するか？
• RQ5 観測された谷は、惑星コアの組成と形成モデルにどのような制約を課すか？

主な発見

• ある軌道距離における Rbare は初期 H/He 質量にほとんど依存せず、L_XUV^0.135 のスケーリングに従う。
• Rbare が星の XUV 照度に与える依存性は弱いが、谷の存在と非空性を説明するのに十分である。
• 一定の ε を仮定した場合、Rbare は軌道周期 P に対して P^−0.18 のスケーリングに従い、観測された傾向と整合的である。
• 10 日の軌道周期および地球型組成の条件下で、Rbare ≈ 1.7 R⊕ となり、氷質量分率に比例して線形に増加する。
• 解析的モデルは、時間積分された XUV エネルギー吸収量と大気の重力束縛エネルギーが等しいという条件により、数値結果を説明できる。
• 初期 H/He 質量にたいする弱い依存性は、谷が惑星形成期のガス降着を強く制約しないことを示唆する。