[論文レビュー] The runaway greenhouse radius inflation effect - An observational diagnostic to probe water on Earth-size planets and test the Habitable Zone concept

Martin Turbet, D. Ehrenreich+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 64被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、地球サイズの系外惑星が脱走温室状態にある場合、厚い高温の水蒸気主体の大気により、大気半径が最大500 km以上、あるいはそれ以上に膨張する可能性があると提案している。この効果は、 transit photometry および径運動速度測定によって検出可能であり、生命可能な領域（Habitable Zone）の内側境界を検証する新しい観測的診断法を提供する。また、温帯の系外惑星における脱走温室遷移閾値および水の豊度を実証的に制約する手がかりを与える。

ABSTRACT

Planets similar to Earth - but slightly more irradiated - are expected to enter into a runaway greenhouse state, where all surface water rapidly evaporates, forming an optically thick H2O-dominated atmosphere. For Earth, this extreme climate transition is thought to occur for a ~6% increase only of the solar luminosity, though the exact limit at which the transition would occur is still a highly debated topic. In general, the runaway greenhouse is believed to be a fundamental process in the evolution of Earth-size, temperate planets. Using 1-D radiative-convective climate calculations accounting for thick, hot water vapour-dominated atmospheres, we evaluate the transit atmospheric thickness of a post-runaway greenhouse atmosphere, and find that it could possibly reach over a thousand kilometers (i.e., a few tens of % of Earth radius). This abrupt radius inflation - resulting from the runaway-greenhouse-induced transition - could be detected statistically by ongoing and upcoming space missions such as TESS, CHEOPS and PLATO (combined with precise radial velocity mass measurements with ground-based spectrographs such as ESPRESSO, CARMENES or SPIRou), or even in particular cases in multiplanetary systems such as TRAPPIST-1 (when masses and radii will be known with good enough precision). This result provides the community with an observational test of (1) the concept of runaway greenhouse, that defines the inner edge of the traditional Habitable Zone, and the exact limit of the runaway greenhouse transition. In particular, this could provide an empirical measurement of the irradiation at which Earth analogs transition from a temperate to a runaway greenhouse climate state. This astronomical measurement would make it possible to statistically estimate how close Earth is from the runaway greenhouse. (2) the presence (and statistical abundance) of water in temperate, Earth-size exoplanets.

研究の動機と目的

• 生命可能な領域の内側境界を定義する重要なプロセスである脱走温室遷移に対する観測的テストを開発すること。
• 脱走温室状態に陥った惑星における半径膨張効果が、現在および近い将来の宇宙ミッションで検出可能かどうかを評価すること。
• 温帯の地球サイズの系外惑星における水の含有量および大気の脱出効率を、半径膨張の有無・無しを用いて探査すること。
• 特に太陽型の星の周囲で、地球型惑星が脱走温室状態に遷移する放射エネルギーレベルを実証的に推定すること。
• 惑星集団における半径膨張の振幅を分析することで、温帯の系外惑星における水の統計的豊度を制約すること。

提案手法

• 異なる恒星放射エネルギー下での大気温度プロファイルを再現するため、1次元の放射対流気候モデル（LMD Generic inverse model）を用いる。
• 大気の見かけ上の厚さを、湿った対流層上部（雲の底）として定義された、光学的に厚い水蒸気大気の上端の高度として計算する。
• 温帯の地球型気候と、海洋が完全に蒸発した脱走温室状態との間で、惑星の半径膨張を比較する。
• 異なるH2O連続スペクトルデータベース（BPS 対 MT_CKD）が、計算された温度および大気スケール高さに与える影響をモデル化する。
• エネルギー制限脱出近似を用いて、半径膨張の増加に伴う大気脱出率の増加を推定する。
• TRAPPIST-1のような多惑星系や、TESS、CHEOPS、PLATOなどのミッションが、高精度な半径および質量測定により、この効果を検出可能であると提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 脱走温室状態に起因する半径膨張効果は、軌道通過する系外惑星において観測的に検出可能か？
• RQ2 脱走温室遷移に直面する地球サイズの惑星における大気半径の膨張は、どの程度の大きさか？
• RQ3 この効果の検出が、脱走温室遷移の放射エネルギー閾値を実証的に特定するためにどのように利用できるか？
• RQ4 半径膨張信号は、温帯の系外惑星における水の含有量および大気脱出効率をどの程度まで制約できるか？
• RQ5 半径膨張が観測されない場合、惑星集団における水の含有量または脱出効率に何を示唆するか？

主な発見

• 脱走温室状態に陥った場合、地球サイズの惑星の大気の見かけ上の厚さは500 kmを超えることがあり、極端な場合1,000 kmに達する。
• 半径膨張効果により、大気質量および温度構造に応じて、惑星の半径が最大数パーセントの増加を示す。
• モデルは、H2O連続スペクトルデータベースの違いにより、従来の推定値よりわずかに低い約1,700 Kの表面温度を予測している。
• 特に高精度な質量および半径測定が可能な多惑星系において、TESS、CHEOPS、PLATOによって原則的に検出可能である。
• 強い半径膨張信号は、惑星が顕著な水を保持していたことを示唆するが、その欠如は最大水含有量の制限または効率的な大気脱出を示唆する。
• この効果により、太陽型の星の周囲で地球類似惑星が脱走温室状態に遷移する放射エネルギーレベルを実証的に測定可能となる。