[論文レビュー] The Habitability of Proxima Centauri b I: Evolutionary Scenarios

Rory Barnes, Russell Deitrick+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、VPLANETソフトウェアを用いてプロキシマ・セントauri bの長期的進化をモデル化し、恒星、軌道、大気、地球物理学的プロセスを通じて生命可能性を評価している。その結果、恒星の準主系列期における水の保持が生命可能性の主な障壁であることが判明し、惑星質量の0.01〜1%の薄い水素エンベロープが、液体水が生存するための最も現実的な道筋を提供すると判明した。これは、プロキシマ b が水素エンベロープを失った「生命可能性を有するコア」として成立する可能性を示唆している。

ABSTRACT

We analyze the evolution of the potentially habitable planet Proxima Centauri b to identify environmental factors that affect its long-term habitability. We consider physical processes acting on size scales ranging from the galactic to the stellar system to the planet's core. We find that there is a significant probability that Proxima Centauri has had encounters with its companion stars, Alpha Centauri A and B, that are close enough to destabilize an extended planetary system. If the system has an additional planet, as suggested by the discovery data, then it may perturb planet b's eccentricity and inclination, possibly driving those parameters to non-zero values, even in the presence of strong tidal damping. We also model the internal evolution of the planet, evaluating the roles of different radiogenic abundances and tidal heating and find that magnetic field generation is likely for billions of years. We find that if planet b formed in situ, then it experienced 169 +/- 13 million years in a runaway greenhouse as the star contracted during its formation. This early phase could remove up to 5 times as much water as in the modern Earth's oceans, possibly producing a large abiotic oxygen atmosphere. On the other hand, if Proxima Centauri b formed with a substantial hydrogen atmosphere (0.01 - 1% of the planet's mass), then this envelope could have shielded the water long enough for it to be retained before being blown off itself. After modeling this wide range of processes we conclude that water retention during the host star's pre-main sequence phase is the biggest obstacle for Proxima b's habitability. These results are all obtained with a new software package called VPLANET.

研究の動機と目的

• 複数スケールのプロセスをモデル化することで、プロキシマ・セントauri bの長期的生態可能性を評価すること。
• アルファ・セントauri AおよびBとの接近接近が、惑星の軌道的安定性に与える影響を評価すること。
• 潮汐加熱、放射性崩壊、大気の脱出が、惑星の地球物理学的および気候的進化に果たす役割を特定すること。
• 極度の恒星放射とフレアにさらされても、液体水が保持される条件を同定すること。
• 原始的水素エンベロープを有する状態で形成されたプロキシマ b が、生命可能性を有する「蒸発したコア」として成立する可能性を評価すること。

提案手法

• VPLANETソフトウェアパッケージを用いて、恒星形成から惑星進化までのスケールで、軌道的・回転的・大気的・地球物理学的プロセスの連成進化をシミュレートした。
• 恒星進化モデルを惑星系動力学と統合し、追加の惑星や連星同伴による重力的摂動も含めた。
• 準主系列期におけるXUV放射に起因する大気脱出をモデル化し、特に水素エンベロープの散逸に注目した。
• 内部惑星進化を、放射性加熱と潮汐散逸モデルを用いてシミュレートし、磁場生成と熱フラックスの評価を行った。
• 潮汐減衰および長周期摂動理論を用いて、軌道的・回転的進化を追跡し、離心率および軌道傾きの進化を予測した。
• 初期水の蓄積量（地球海洋の5倍まで）および水素エンベロープ質量（惑星質量の0.01〜1%）を変化させた複数の初期条件を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルファ・セントauri AおよびBとの接近が、惑星系を不安定化させ、プロキシマ・セントauri bの軌道に影響を与えた確率はどの程度か？
• RQ2 原始的水素エンベロープの存在が、準主系列期における表面水の保持にどのように影響するか？
• RQ3 潮汐加熱および放射性崩壊プロセスが、プロキシマ・セントauri bにおける内部熱フラックスおよび磁場生成に及ぼす影響の程度は？
• RQ4 大気および水の損失の主な経路は何か？どのシナリオが生命可能性を最もよく維持するか？
• RQ5 プロキシマ・セントauri b は生命可能性を有する蒸発したコアと見なせるか？そのような結果を得るための初期条件は何か？

主な発見

• プロキシマ・セントauri b は、恒星の準主系列期収縮段階で、1億6900万年±1300万年の間、運命的な温室効果の段階を経験した可能性があり、現代の地球海洋の5倍に相当する水の損失を被った可能性がある。
• 惑星質量の0.01〜1%の範囲にある水素エンベロープの存在が、初期の大気脱出およびXUV放射から表面水を保護し、水の保持を可能にする。
• 惑星が0.1%の水素エンベロープと3.5地球分の海洋を初期に有していた場合、モデルでは現在、1地球分の表面水、水素エンベロープの不在、および非生物学的酸素の蓄積なしという状態が予測される。
• 潮汐加熱と放射性崩壊は、数十億年間にわたりダイナモ生成磁場を維持するのに十分であり、星風からの惑星保護を強化する。
• 生命可能性に最も適した経路は、「生命可能性を有する蒸発したコア」シナリオであり、薄い水素エンベロープが初期のXUVフラックスによって蒸発し、液体水が存続した場合である。
• 生命可能性の主な障壁は、準主系列期における水の損失であり、運命的温室効果、フレア、CMEなど複数の損失経路が併存または独立して作用している。