[論文レビュー] Predictions for the Period Dependence of the Transition Between Rocky Super-Earths and Gaseous Sub-Neptunes and Implications for $η_{\mathrm{\oplus}}$

Eric Lopez, Ken Rice|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Astro and Planetary Science被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、短周期の岩石惑星スーパーアースが、亜ネプチューンの蒸発残骸であるのか、ガス大気を伴わない本質的な岩石惑星であるのかを調査する。写真蒸発モデルとN体シミュレーションを用いて、惑星が蒸発残骸である場合、遷移半径は軌道周期が長くなるにつれて減少するが、ガス大気を伴わない形成である場合、増加する。これはTESSの径速度追従観測による検証可能な区別を提供する。

ABSTRACT

One of the most significant advances by NASA's ${\mathit Kepler}$ Mission was the discovery of an abundant new population of highly irradiated planets with sizes between the Earth and Neptune. Subsequent analysis showed that at ~1.5 Earth radii there is a transition from a population of predominantly rocky super-Earths to non-rocky sub-Neptunes, which must have substantial volatile envelopes. Determining the origin of these highly irradiated rocky planets will be critical to our understanding of low-mass planet formation and the frequency of potentially habitable Earth-like planets. These short-period rocky super-Earths could simply be the stripped cores of sub-Neptunes, which have lost their envelopes due to atmospheric photo-evaporation or other processes, or they might instead be a separate population of inherently rocky planets, which never had significant envelopes. Using models of atmospheric photo-evaporation, we show that if most bare rocky planets are the evaporated cores of sub-Neptunes then the transition radius should decrease as surveys push to longer orbital periods, since on wider orbits only planets with smaller less massive cores can be stripped. On the other hand, if most rocky planets formed after their disks dissipate then these planets will have formed without initial gaseous envelopes. In this case, we use N-body simulations of planet formation to show that the transition radius should increase with orbital period, due to the increasing solid mass available in their disks. Moreover, we show that distinguishing between these two scenarios should be possible in coming years with radial velocity follow-up of planets found by TESS. Finally, we discuss the broader implications of this work for current efforts to measure $\eta_{\mathrm{\oplus}}$, which may yield significant overestimates if most rocky planets form as evaporated cores.

研究の動機と目的

• 短周期の岩石惑星スーパーアースの起源を特定する——それは亜ネプチューンの剥ぎ取り残骸か、ガス大気を伴わない本質的な岩石惑星か。
• 異なる形成シナリオ下で、岩石惑星スーパーアースとガス惑星亜ネプチューンの間の遷移半径が軌道周期にどのように依存するかを評価する。
• これらの形成経路が、地球型惑星の頻度η⊕の推定に与える影響を評価する。
• 近い将来のTESSデータと径速度追従観測を用いて、2つの形成シナリオを区別する観測的検証を同定する。

提案手法

• さまざまな軌道周期における亜ネプチューンのガス大気の写真蒸発を模擬する大気の写真蒸発モデルを用いる。
• 原始惑星系円盤内の固体質量の分布を、星からの距離に応じて評価するN体惑星形成シミュレーションを用いる。
• 2つの形成シナリオ（コア残骸 vs. 原始的岩石惑星形成）における岩石惑星スーパーアースと亜ネプチューンの間の予測された遷移半径を比較する。
• 遷移半径の軌道周期依存性を分析し、観測的に検証可能なシグネチャを導出する。
• 理論的予測をTESSおよび径速度調査の予想される観測能力と統合し、2つのシナリオの識別可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星が主に蒸発残骸である場合、岩石惑星スーパーアースとガス惑星亜ネプチューンの間の遷移半径は、軌道周期とともにどのように変化するか？
• RQ2 岩石惑星が初期にガス大気を伴わない場合、遷移半径は軌道周期とともにどのように変化するか？
• RQ3 TESSが発見した惑星の径速度追従観測は、蒸発残骸形成と原始的岩石惑星形成の2つのシナリオを区別できるか？
• RQ4 岩石惑星の形成経路がη⊕の推定に与える影響は何か？
• RQ5 異なる軌道距離における円盤内の固体質量分布は、観測される遷移半径にどのように影響するか？

主な発見

• 岩石惑星スーパーアースが亜ネプチューンの蒸発残骸である場合、外側の軌道では写真蒸発の効率が低下するため、軌道周期が長くなるにつれて遷移半径は減少する。
• 岩石惑星がガス大気を伴わない形で形成される場合、外側の円盤領域に固体質量が豊富にあるため、軌道周期が長くなるにつれて遷移半径は増加する。
• 予測された遷移半径の周期依存性は、2つの形成経路を明確に区別する観測的テストを提供する。
• 近い将来、TESS惑星の径速度追従観測により、この区別が可能になると予想される。
• 多くの岩石惑星が蒸発残骸である場合、現在のη⊕の推定値は顕著に高められている可能性がある。
• 形成経路の違いは、惑星形成の理解と生命的環境を有する惑星の頻度に関する重要な示唆をもたらす。