[論文レビュー] The origin of the high metallicity of close-in giant exoplanets: Combined effect of the resonant and aerodynamic shepherding

S. Shibata, Ravit Helled+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、遷移する巨大系外惑星が、平均運動共鳴（mean motion resonances）と空気力学的ガス抵抗の両方の効果を組み合わせることで、惑星esimalを捕獲することで高い金属量に達し得ることを示している。当初はこれらの力が捕獲を妨げていたが、共鳴内の振動の増幅により、惑星esimalは脱出可能となり、吸収可能になる。その結果、惑星は数10地球質量にのぼる固体物質を捕獲可能となり、これが数10 AUの距離で形成され、内側へ遷移した場合に観測された近軌道ガス惑星の高い金属量を説明できる。

ABSTRACT

Context.Recent studies suggest that many giant exoplanets are highly enriched with heavy elements compared to their host star andcontain several tens of Earth masses or more of heavy elements. Such enrichment is considered to have been brought by accretionof planetesimals in late formation stages. Previous dynamical simulations, however, show that planets are unable to collect so muchheavy elements throughin situplanetesimal accretion. Aims.We investigate whether a giant planet migrating inward can capture planetesimals efficiently to significantly increase its metal-licity. Methods.We performed orbital integrations of a migrating giant planet and planetesimals in a protoplanetary gas disc to infer theplanetesimal mass that is accreted by the planet. Results.We find that the two shepherding processes of mean motion resonances trapping and aerodynamic gas drag inhibit plan-etesimal capture of a migrating planet. However, the amplified libration allows the highly-excited planetesimals in the resonances toescape from the resonance trap and be accreted by the planet. Consequently, we show that a migrating giant planet captures planetes-imals with total mass of several tens of Earth masses, if the planet forms at a few tens of AU in a relatively massive disc. We alsofind that planetesimal capture occurs efficiently in a limited range of semi-major axis, and that the total captured planetesimal massincreases with increasing migration distances. Our results have important implications for understanding the relation between giantplanet metallicity and mass, as we suggest that it reflects the formation location of the planet, or more precisely, the location whererunaway gas accretion occurred. We also suggest the observed metal-rich close-in Jupiters migrated to their present locations fromafar, where they formed.

研究の動機と目的

• 内側へ遷移する巨大惑星が、観測された高い金属量を示す理由を説明するため、効率的に惑星esimalを吸収できるかを調査すること。
• 理論的局所形成による吸収限界（数地球質量程度）と、近軌道ガス惑星に観測される重元素質量（数10地球質量程度）との乖離を解消すること。
• 平均運動共鳴と空気力学的ガス抵抗が、惑星の給餡領域への惑星esimal供給をどのように調節するかを検討すること。
• 捕獲された惑星esimal質量が惑星質量、遷移距離、および初期形成位置に依存する程度を特定すること。
• 近軌道の木星型惑星の観測された金属量を、その形成位置と遷移歴によって結びつけること。

提案手法

• 粘性で軸対称な原始惑星系円盤内での、遷移する巨大惑星と惑星esimalの軌道統合。
• 空気力学的シーブリングを模擬するための、ガス抵抗を含む2次元流体力学モデルの使用。
• 特に2:1および3:2平均運動共鳴（MMR）における惑星esimalの動的捕獲効果の組み込み。
• 共鳴通過と脱出メカニズムを通じて、惑星esimalの質量輸送を、惑星の給餡領域への流入として追跡。
• 惑星の半長径、質量、および円盤条件を関数として、捕獲された惑星esimal総質量の定量的評価。
• 共鳴内での振動振幅が、共鳴捕獲からの脱出とその後の吸収を可能にする役割の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移する巨大惑星は、近軌道系外惑星に観測される数10地球質量の重元素を説明するに十分な量の惑星esimalを捕獲できるか？
• RQ2 平均運動共鳴と空気力学的ガス抵抗が、給餡領域への惑星esimal供給にどのように作用するか？
• RQ3 捕獲された惑星esimal質量は、惑星質量と遷移距離にどのように依存するか？
• RQ4 どの半長径範囲で、惑星esimalの吸収が最も効率的に行われるか？
• RQ5 近軌道の巨大惑星の最終的な金属量は、特に数10 AUで形成された場合に、その形成位置を反映しているか？

主な発見

• 遷移する巨大惑星は、観測された近軌道ガス惑星の高い金属量を説明するに十分な、最大数10地球質量にのぼる惑星esimalを捕獲可能である。
• 共鳴的シーブリングにより、主な吸収段階が惑星が約6 AUに達するまで遅れ、惑星esimalの持続的供給が可能になる。
• 空気力学的ガス抵抗が、惑星が約1 AUに達した段階で、給餡領域からの惑星esimalの除去を引き起こし、吸収を停止させる。
• 質量の小さい惑星（0.7–1.4 M_J）では3:2平均運動共鳴が惑星esimal供給の主要経路であるが、より質量の大きな惑星（≥2.8 M_J）では2:1 MMRが支配的になる。
• 移動距離が長いほど惑星esimalの捕獲効率が向上し、中程度の惑星質量で共鳴位置が最適となるため、ピークに達する。
• 惑星が数10 AUで形成され、内側へ遷移する場合に、捕獲された質量が最大となり、高い金属量が遠方の形成位置と関連していることが示された。