[論文レビュー] Solar Twins and Possible Solutions of the Solar and Jupiter Abundance Problems

Åke Nordlund|ArXiv.org|Aug 25, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、太陽の重元素の観測された欠落（太陽同等星との比較）と内部太陽組成の不一致が、太陽系形成期における重元素の惑星への閉じ込めに起因すると提案する。非完全対流的な初期太陽構造をモデル化し、惑星形成と結びつけることで、太陽組成問題と木星の揮発性および希ガスの異常な過剰を、水素の損失に起因するものとして説明し、2つの長年の天文学的謎を統一的に解消する。

ABSTRACT

Implications of the recently discovered systematic abundance difference between the Sun and two collections of `solar twins' are discussed. The differences can be understood as an imprint on the abundances of the solar convection zone caused by the lock-up of heavy elements in the planets. Such a scenario also leads naturally to possible solutions of two other abundance peculiarities; 1) the discrepancy between photospheric abundances derived from accurate 3-D models of the solar photosphere and the abundance of heavy elements in the solar interior deduced from helioseismology, and 2) the abundance pattern of Jupiter, which can either--with great difficulty--be interpreted as a general and similar overabundance of both common elements such as carbon, nitrogen and sulphur and rare inert gases such as argon, krypton and xenon, or--much more simply--as an under-abundance of hydrogen.

研究の動機と目的

• 光球層とヘルモセイスミック太陽組成の差異（いわゆる「太陽組成問題」として知られる）を解消すること。
• 炭素、窒素、硫黄、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの多様な元素が木星の大気に過剰に存在するという異常な過剰を説明すること。
• 太陽と太陽同等星との間の系統的組成差が、惑星形成プロセスに起因するかどうかを検討すること。
• 乱流星形成モデルから得られる現実的な初期太陽構造を用いて、太陽内部モデルと観測された対流層組成を一致させること。
• 非同型の初期太陽構造が惑星組成および太陽系形成に与える影響を調査すること。

提案手法

• 高精度分光法による凝縮温度相関を用いて、太陽と太陽同等星との間の組成差を分析する。
• 太陽光球層の正確な組成を導出するために、3次元放射流体力学的モデルを適用する。
• ヘルモセイスミックデータを用いて太陽内部の真の重元素組成を推定し、光球層の値と対比する。
• Wuchterl & Klessen (2001) の重力的乱流星形成モデルの結果を統合し、初期太陽の構造を再構築することで、太陽が当初から完全に対流的ではなかったことを示す。
• 重力的沈降または光蒸発によって木星の原始的大気から水素が失われた割合をモデル化し、重元素の見かけ上の過剰を説明する。
• 閉じ込められた重元素の推定質量（10–40地球質量）を、観測された対流層の欠落と照合することで仮説を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽と太陽同等星との間の観測された組成差は、重元素が惑星に閉じ込められたことによって説明可能か？
• RQ2 乱流星形成モデルが予測する非完全対流的初期太陽構造が、太陽組成問題を解消できるか？
• RQ3 なぜ木星の大気と太陽同等星は、揮発性および希ガスを含む多様な元素に関して相関する過剰を示すのか？
• RQ4 木星における重元素の見かけ上の過剰は、栄養化プロセスによるものか、それとも水素の枯渇によるものか、どちらがより適切な説明か？
• RQ5 水素損失と重元素の閉じこめという1つの物理的メカニズムが、太陽組成問題と木星の特異な組成を統一的に説明できるか？

主な発見

• 太陽と太陽同等星との間の観測された組成差は、凝縮温度と強く相関しており、ランダムな発生確率が約10⁻⁹であるため、物理的起源であると示唆される。
• 太陽の対流層には重元素が0.012–0.015の質量分率（Z_CZ）しか含まれていないが、ヘルモセイスミックデータから太陽内部のZ ≈ 0.017であると推定され、対流層に約10–40地球質量分の重元素が欠落していると示唆される。
• 太陽対流層から欠落している重元素の質量は、惑星に閉じ込められた重元素の推定質量とほぼ同等であり、惑星による閉じこめ仮説を支持する。
• 乱流的で重力的に不安定な原始星核からの初期太陽形成モデルでは、太陽は当初から完全に対流的ではなかったことが示され、対流層の深さは半径のおよそ1/3にとどまり、観測された組成パターンと整合的である。
• 木星の大気に見られる炭素、窒素、硫黄、アルゴン、クリプトン、キセノンの異常な過剰は、普遍的な栄養化ではなく、水素の損失に起因するものと説明可能であり、初期組成から約2/3の水素が失われたと示唆される。
• 同じプロセス（水素損失と重元素の閉じこめ）が、太陽組成問題と木星の特異な組成を統一的に説明でき、太陽系天文学における2つの長年の謎を解消する。