[論文レビュー] Stellar Chemical Clues As To The Rarity of Exoplanetary Tectonics

Cayman T. Unterborn, S. D. Hull+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2017

Astro and Planetary Science参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、恒星のナトリウム（Na）およびケイ酸塩（Si）の崩壊度が、系外スーパーアース惑星における持続的プレートテクトニクスの可能性を決定づける重要な化学的要因であると提唱している。熱力学的相平衡モデルを用いた惑星分化の解析により、SiおよびNaの含有量が高い惑星は、テクトニック駆動に不可欠な沈降性で密度の高い crust を形成しにくく、宇宙の恒星組成のうちわずか1/3程度の組成にのみ、地球に似たテクトニック活動を示す惑星が存在可能であると示している。

ABSTRACT

Earth's tectonic processes regulate the formation of continental crust, control its unique deep water and carbon cycles, and are vital to its surface habitability. A major driver of steady-state plate tectonics on Earth is the sinking of the cold subducting plate into the underlying mantle. This sinking is the result of the combined effects of the thermal contraction of the lithosphere and of metamorphic transitions within the basaltic oceanic crust and lithospheric mantle. The latter of these effects is dependent on the bulk composition of the planet, e.g., the major, terrestrial planet-building elements Mg, Si, Fe, Ca, Al, and Na, which vary in abundance across the Galaxy. We present thermodynamic phase-equilibria calculations of planetary differentiation to calculate both melt composition and mantle mineralogy, and show that a planet's refractory and moderately-volatile elemental abundances control a terrestrial planet's likelihood to produce mantle-derived, melt-extracted crusts that sink. Those planets forming with a higher concentration of Si and Na abundances are less likely to undergo sustained tectonics compared to the Earth. We find only 1/3 of the range of stellar compositions observed in the Galaxy is likely to host planets able to sustain density-driven tectonics compared to the Sun/Earth. Systems outside of this compositional range are less likely to produce planets able to tectonically regulate their climate and may be inhospitable to life as we know it.

研究の動機と目的

• 難揮発性および中程度揮発性の元素の影響を含めた惑星組成が、持続的テクトニクスの可能性に与える影響を評価すること。
• 系外惑星におけるテクトニック活動を促進または抑制する星系内化学的条件を同定すること。
• 星の化学組成と長期的な表面・大気の地球化学的循環の可能性を結びつける予測フレームワークを構築すること。
• テクトニック居住可能性の潜在的指標に基づき、追跡観測の優先順位を付けるための指標を提供すること。

提案手法

• BurnManソフトウェアを用いて、マグマ組成およびマントル鉱物学の熱力学的相平衡計算を実施し、惑星分化をモデル化すること。
• Mg、Si、Fe、Ca、Al、Na、その他の元素の星の含有量を、惑星全体組成の代理指標として用いること。
• 異なる化学的条件下で形成される鉱物集合物に基づき、マントル由来の crust の密度および浮力を計算すること。
• 海洋プレートの crust およびリソスフィア的マントルにおける相転移の安定性をモデル化し、沈み込みおよび沈降力を駆動する要因を特定すること。
• 地球の組成を基準として、「テクトニクスに有利な」組成範囲を定義すること。
• フレームワークを応用し、銀河内でのテクトニクス活動を示せる恒星組成の割合を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恒星の元素含有量の中で、地球型系外惑星における持続的テクトニクスの可能性に最も強く影響を与えるものは何か？
• RQ2 SiおよびNa含有量の変動が、プレートテクトニクスに不可欠な密度が高く沈降性の強い crust の形成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 銀河内の恒星組成の観測範囲のうち、地球に似たテクトニック活動を示せる組成範囲に含まれる割合はどの程度か？
• RQ4 惑星組成が、海洋プレートの crust およびマントルにおける沈み込みを駆動する相転移の安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 星の化学組成は、地球に似たテクトニクスおよび気候調節能力を持つ系外惑星を予測するための有効な指標として機能できるか？

主な発見

• SiおよびNa含有量が高い惑星は、持続的テクトニクスに不可欠な密度が高く沈降性の強い crust を形成する可能性が著しく低くなる。
• 観測された銀河内恒星組成の範囲のうち、地球に似たテクトニックプロセスを維持できる惑星を宿すと予測されるのは、およそ1/3に過ぎない。
• テクトニック活動の可能性は、相転移および crust の密度に影響を与える中程度揮発性元素、特にナトリウムの含有量によって強く制御される。
• 本研究では、高密度のマントル対流が存在しても、沈み込みを駆動する密度対比が形成されないような組成の閾値を同定した。
• 星のNa含有量は、系外惑星のテクトニック可能性を予測する重要な指標であり、居住可能性評価の新たな観測的指標を提供する。
• 本フレームワークは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの望遠鏡による追跡観測の優先順位を付けるための定量的で化学に基づく手法を提供する。