[論文レビュー] Structure and evolution of super-Earth to super-Jupiter exoplanets: I. heavy element enrichment in the interior

I. Baraffe, G. Chabrier+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 52被引用数 192

ひとこと要約

本論文は、さまざまな状態方程式、コア分布、熱的寄与を組み込んだ詳細な惑星モデルを用いて、超地球から超木星に及ぶ系外惑星の構造と進化に及ぼす重元素の豊富有効果を調査している。コア質量分率が約50%を超えると、惑星の冷却と半径に顕著な影響を及ぼし、10億年経過後に最大で約10%の半径変動が生じる。また、Hat-P-2bのような質量の大きな惑星は、少なくとも200 M⊕の重元素を含まなければならないと示されており、これは標準的なコア降着よりも巨大衝突による形成を示唆している。

ABSTRACT

We examine the uncertainties in current planetary models and we quantify their impact on the planet cooling histories and mass-radius relationships. These uncertainties include (i) the differences between the various equations of state used to characterize the heavy material thermodynamical properties, (ii) the distribution of heavy elements within planetary interiors, (iii) their chemical composition and (iv) their thermal contribution to the planet evolution. Our models, which include a gaseous H/He envelope, are compared with models of solid, gasless Earth-like planets in order to examine the impact of a gaseous envelope on the cooling and the resulting radius. We find that for a fraction of heavy material larger than 20% of the planet mass, the distribution of the heavy elements in the planet's interior affects substantially the evolution and thus the radius at a given age. For planets with large core mass fractions ($\simgr$ 50%), such as the Neptune-mass transiting planet GJ436b, the contribution of the gravitational and thermal energy from the core to the planet cooling history is not negligible, yielding a $\sim$ 10% effect on the radius after 1 Gyr. We show that the present mass and radius determinations of the massive planet Hat-P-2b require at least 200 $\mearth$ of heavy material in the interior, at the edge of what is currently predicted by the core-accretion model for planet formation. We show that if planets as massive as $\sim$ 25 $\mjup$ can form, as predicted by improved core-accretion models, deuterium is able to burn in the H/He layers above the core, even for core masses as large as $\sim$ 100 $\mearth$. We provide extensive grids of planetary evolution models from 10 $\mearth$ to 10 M$_{ m Jup}$, with various fractions of heavy elements.

研究の動機と目的

• 重元素の豊富有が惑星冷却および質量-半径関係に与える影響に関連する惑星モデルの不確実性を定量化すること。
• 状態方程式、化学組成、分布、重元素の熱的エネルギーの変動が惑星進化に与える影響を評価すること。
• ガス大気を有するモデルとガスを欠いた地球型惑星のモデルを比較し、H/Heの大気が半径および冷却時間に与える影響を分離すること。
• 特にHat-P-2b や HD 149026b のような質量が大きく密度の高い惑星に対して、高金属性が惑星形成メカニズムに与える意味を評価すること。
• 今後のCoRoTおよびKeplerの transit 観測データの解釈および内部組成の推定に役立てるために、10 M⊕ から 10 MJ の範囲で重元素分率を変化させた包括的なモデルグリッドを提供すること。

提案手法

• 10 M⊕ から 10 MJ の範囲にわたる惑星進化モデルを構築し、H/He大気と異なる重元素分率を組み込む。
• 重い物質（例：ケイ酸塩、氷）の複数の状態方程式（EOS）を用いて、内部における熱力学的不確実性を評価する。
• 重元素の分布（中心コア vs. 均一または混合）を変化させ、構造的および熱的影響を評価する。
• 重元素からの重力的および熱的エネルギー放出を冷却モデルに組み込み、半径進化への寄与を評価する。
• ガス大気を有するモデルとないモデルを比較し、H/He大気が半径および冷却時間に与える影響を分離する。
• 観測された系外惑星（例：GJ436b、Hat-P-2b、HD 149026b）にモデルを適用し、内部組成および形成経路を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重元素の状態方程式に関する不確実性が、超地球からガス巨大惑星に至る惑星の予測された質量-半径関係にどのように影響するか？
• RQ2 重元素の分布（コア vs. 混合）が、時間経過に伴う惑星の冷却および半径進化にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 コア質量分率が50%を超える惑星において、重元素が冷却歴に及ぼす熱的および重力的寄与は何か？
• RQ4 Hat-P-2b や HD 17156b のような質量が大きく、高い離心率を示す惑星の高密度と高離心率は、コア降着のみで説明可能か、それとも巨大衝突のような代替形成メカニズムがより適切か？
• RQ5 質量の大きな惑星のH/He大気に重水素燃焼が発生する条件は何か？ そして、これは惑星と褐色矮星の区別にどのような意味を持つのか？

主な発見

• コア質量分率が約50%を超える惑星（例：GJ436b）では、10億年後に半径進化に最大で約10%の寄与がコア由来の重力的および熱的エネルギーによって生じる。
• Hat-P-2b の現在の質量と半径は、内部に少なくとも200 M⊕の重元素を含む必要があると示され、これは現在のコア降着モデルの予測を上回る。
• 巨大な惑星や小惑星との巨大衝突が、Hat-P-2b や HD 17156b のような高密度で高離心率の惑星の形成を説明できる可能性がある。
• 約25 MJ の惑星が改善されたコア降着モデルによって形成可能であれば、コア質量が約100 M⊕でさえも、H/He大気内で重水素燃焼が発生する可能性がある。
• 重水素燃焼限界は、惑星と褐色矮星を区別する有効な基準とはならず、質量の大きな惑星でも重水素融合が発生する可能性がある。
• 本研究では、10 M⊕ から 10 MJ の範囲で重元素分率を変化させた惑星進化モデルの完全なグリッドを提供しており、CoRoTおよびKeplerのtransit観測データの解釈に利用可能である。