[論文レビュー] The New Generation Planetary Population Synthesis (NGPPS) I. Bern global model of planet formation and evolution, model tests, and emerging planetary systems

Alexandre Emsenhuber, C. Mordasini+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 9被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、ガス惑星環の進化、微惑星の運動、核集積、N体相互作用、長期的な惑星進化を統合した包括的なエンドツーエンドのシミュレーションであるGeneration III Bern惑星形成モデル（NGPPS）を提示する。このモデルは、地球型惑星の巨大衝突段階や、ガス円盤の散逸に先立って木星型の惑星が形成されることで、内向き移動を回避するという太陽系の主要な特徴をうまく再現している。

ABSTRACT

Aims. Comparing theoretical models with observations allows one to make key step forward towards an understanding of planetary systems. It however requires a model able to (i) predict all the necessary observable quantities (not only masses and orbits, but also radii, luminosities, magnitudes, or evaporation rates) and (ii) address the large range in relevant planetary masses (from Mars mass to super-Jupiters) and distances (from stellar-grazing to wide orbits). Methods. We have developed a combined global end-to-end planetary formation and evolution model, the Generation III Bern model, based on the core accretion paradigm. This model solves as directly as possible the underlying differential equations for the structure and evolution of the gas disc, the dynamical state of the planetesimals, the internal structure of the planets yielding their planetesimal and gas accretion rates, disc-driven orbital migration, and the gravitational interaction of concurrently forming planets via a full N-body calculation. Importantly, the model also follows the long-term evolution of the planets on Gigayear timescales after formation including the effects of cooling and contraction, atmospheric escape, bloating, and stellar tides. Results. To test the model, we compared it with classical scenarios of Solar System formation. For the terrestrial planets, we find that we obtain a giant impact phase provided enough embryos (~100) are initially emplaced in the disc. For the giant planets, we find that Jupiter-mass planets must accrete their core shortly before the dispersal of the gas disc to prevent strong inward migration that would bring them to the inner edge of the disc. Conclusions. The model can form planetary systems with a wide range of properties. We find that systems with only terrestrial planets are often well-ordered while giant-planet bearing systems show no such similarity.

研究の動機と目的

• 質量、軌道、半径、光度、蒸発率といった多様な観測可能な惑星の性質を予測できる統一的モデルの開発を目的とする。
• 火星から超木星型までの広い質量範囲（Marsから超木星）および軌道距離（近軌道から広がった軌道）における惑星系のシミュレーションを目的とする。
• 冷却、収縮、大気の脱出、潮汐効果を含む長期的進化を組み込むことで、従来のモデルの限界を克服することを目的とする。
• 古典的な太陽系形成シナリオとの比較を通じて、モデルの予測能力を検証することを目的とする。

提案手法

• モデルは核集積の枠組みに基づき、ガス円盤の構造と進化を記述する微分方程式を解く。
• 微惑星の運動と内部惑星構造を追跡することで、微惑星およびガスの集積率を直接計算する。
• 軌道移動は円盤駆動移動力に基づきモデル化され、形成中の惑星同士の重力相互作用を完全なN体計算で扱う。
• 形成終了後の長期的進化を含め、惑星の冷却、収縮、大気の脱出、膨張、および恒星の潮汐効果をギガ年スケールで組み込む。
• 巨大衝突の結果をテストするため、地球型惑星領域に約100体の原始惑星胚を初期条件として設定する。
• 特に地球型惑星および巨大惑星の観測事実と比較することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの一貫したモデルが、観測された太陽系の構造に整合する形で、地球型惑星と巨大惑星の両方の形成を再現できるか？
• RQ2 地球型惑星領域における巨大衝突段階の形成に必要な条件は何か？
• RQ3 核の形成タイミングが、内向き移動に対するガス巨大星の生存にどのように影響するか？
• RQ4 円盤の散逸タイミングが、質量の大きな惑星の最終的軌道配置にどのように寄与するか？
• RQ5 大気の脱出や潮汐力といった長期的進化過程が、惑星系の安定性および観測可能な性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 約100体の原始惑星胚を円盤に初期配置することで、地球型惑星領域における巨大衝突段階をモデルがうまく再現した。
• 木星質量の惑星は、ガス円盤の散逸に先立って核を形成しなければならず、そうでなければ強い内向き移動が発生し、円盤の内縁で軌道が崩壊・消失する。
• 地球型惑星のみからなる系は秩序が保たれる傾向にあるが、巨大惑星を含む系ではそのような秩序は見られず、形成経路が顕著に異なることが示された。
• モデルは半径、光度、視等級、蒸発率を含む観測可能な惑星の性質の全範囲を捉えており、観測結果との直接比較が可能である。
• 冷却、収縮、大気の脱出、潮汐効果といった長期的進化プロセスの組み込みにより、ギガ年スケールでの現実的な形成後進化が可能になった。
• モデルは、核形成のタイミング、円盤の散逸、形成期の重力相互作用の相乗的な影響が、惑星系の構造に強く関与していることを示した。