[論文レビュー] Survival of Primordial Planetary Atmospheres: Mass Loss from Temperate Terrestrial Planets

Alex R. Howe, Fred C. Adams+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 64被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、ペブル降着によって形成された温帯の岩石惑星からの質量損失のメカニズムとして、分子水素の光分解を検討する。光分解は約34バールの水素を除去するが、これは衝突侵食（約2,300バール）に及ばず、原始的大気のヘリウム・水素を完全に蒸発させるには不十分であり、結果として水を多く含む残留物が残る。

ABSTRACT

The most widely-studied mechanism of mass loss from extrasolar planets is photoevaporation via XUV ionization, primarily in the context of highly irradiated planets. However, the EUV dissociation of hydrogen molecules can also theoretically drive atmospheric evaporation on low-mass planets. For temperate planets such as the early Earth, impact erosion is expected to dominate in the traditional planetesimal accretion model, but it would be greatly reduced in pebble accretion scenarios, allowing other mass loss processes to be major contributors. We apply the same prescription for photoionization to this photodissociation mechanism and compare it to an analysis of other possible sources of mass loss in pebble accretion scenarios. We find that there is not a clear path to evaporating the primordial atmosphere accreted by an early Earth analog in a pebble accretion scenario. Impact erosion could remove ~2,300 bars of hydrogen if 1% of the planet's mass is accreted as planetesimals, while the combined photoevaporation processes could evaporate ~750 bars of hydrogen. Photodissociation is likely a subdominant, but significant component of mass loss. Similar results apply to super-Earths and mini-Neptunes. This mechanism could also preferentially remove hydrogen from a planet's primordial atmosphere, thereby leaving a larger abundance of primordial water compared to standard dry formation models. We discuss the implications of these results for models of rocky planet formation including Earth's formation and the possible application of this analysis to mass loss from observed exoplanets.

研究の動機と目的

• ペブル降着によって形成された温帯の岩石惑星からの分子光分解が果たす役割を評価すること。
• ペブル降着の条件下で、光分解を他の質量損失メカニズム（特に衝突侵食と光イオン化）と比較すること。
• 水素とヘリウムが優先的に損失された後も、原始的大気が水を含むまま保存される可能性を評価すること。
• 地球に類似た岩石惑星の形成モデルおよび観測された系外惑星の性質に、これらのプロセスが与える影響を検討すること。

提案手法

• Draine & Bertoldi (1996) に基づき、H2の解離に15％の効率を仮定して、エネルギー制限型の質量損失法を光分解に適用する。
• Watson et al. (1981) の標準的光イオン化モデルを改変し、光分解と重畳するイオン化放射と解離放射のバンドを仮定する。
• Ginzburg et al. (2016) に従い、小惑星が惑星の質量の1％を占めるものとして、衝突侵食による質量損失を推定する。
• 既存のスケーリング則を用いて、ジェンス拡散、星風剥がし、熱風による貢献を定量化する。
• 惑星がガスを豊富に含むエンVELOPEを迅速に形成するペブル降着シナリオ下で、さまざまなメカニズムによる総質量損失を比較する。
• 光分解に対して固定効率モデルを用いるが、今後波長依存効率の研究の必要性を指摘する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペブル降着条件下で、H2の光分解は温帯の岩石惑星における大気質量損失の主因または重要な要因になり得るか？
• RQ2 ペブル降着シナリオにおいて、光分解は光イオン化や衝突侵食と比べてどの程度効率的か？
• RQ3 ペブル降着によって形成された地球に類似した惑星で、原始的大気のヘリウム・水素を完全に蒸発させる道筋は存在するか？
• RQ4 光分解は、水素を優先的に除去することで、水やその他の揮発性物質をどの程度保持できるか？
• RQ5 光分解を組み込むことで、系外惑星の半径-フラックス空間における蒸発谷の予測はどのように変化するか？

主な発見

• 光分解は約34バールの水素質量損失に寄与し、衝突侵食に比べてはるかに小さいが、依然として重要なプロセスである。
• ペブル降着シナリオにおける衝突侵食は、小惑星が惑星質量の1％を占めるものとして、約2,300バールの水素を除去できる。
• 光イオン化は約712バールの質量損失に寄与し、衝突侵食に次いで第二位の寄与を示す。
• ジェンス拡散、星風剥がし、熱風は、モデル化された条件下で合計100バール未満の寄与にとどまる。
• すべてのメカニズムによる合計質量損失は約3,067バールに達するが、それでも原始的大気の約23,000バールを完全に蒸発させるには不十分である。
• 水素とヘリウムの優先的損失により、残りの大気は水やその他の重い揮発性物質で富み、原始的大気の水が保存されるモデルを支持する。