[論文レビュー] Volatile-to-sulfur Ratios Can Recover a Gas Giant's Accretion History

Ian J. M. Crossfield|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Methane Hydrates and Related PhenomenaEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、系外惑星の大気中のSO₂検出に基づく炭素/硫黄比（C/S）および酸素/硫黄比（O/S）が、ガス惑星形成の原始小惑星付加モデルとペブル付加モデルを区別できると提唱している。WASP-39bの条件を想定した3次元光化学モデルと合成透過スペクトルを用いて、SO₂はC/SおよびO/S比が（太陽比で）約≤1.5のときのみ検出可能であることが示された。これは、WASP-39bの観測された1–10 ppmのSO₂濃度が、ペブル付加モデルよりも原始小惑星付加モデルに整合性があることを示唆しているが、一部のペブルモデルでも同様の比を再現可能である。

ABSTRACT

The newfound ability to detect SO2 in exoplanet atmospheres presents an opportunity to measure sulfur abundances and so directly test between competing modes of planet formation. In contrast to carbon and oxygen, whose dominant molecules are frequently observed, sulfur is much less volatile and resides almost exclusively in solid form in protoplanetary disks. This dichotomy leads different models of planet formation to predict different compositions of gas giant planets. Whereas planetesimal-based models predict roughly stellar C/S and O/S ratios, pebble accretion models more often predict superstellar ratios. To explore the detectability of SO2 in transmission spectra and its ability to diagnose planet formation, we present a grid of atmospheric photochemical models and corresponding synthetic spectra for WASP-39b (where SO2 has been detected). Our 3D grid contains 11^3 models (spanning 1--100x the solar abundance ratio of C, O, and S) for thermal profiles corresponding to the morning and evening terminators, as well as mean terminator transmission spectra. Our models show that for a WASP-39b-like O/H and C/H enhancement of ~10x Solar, SO2 can only be seen for C/S and O/S <~1.5, and that WASP-39b's reported SO2 abundance of 1--10 ppm may be more consistent with planetesimal accretion than with pebble accretion models (although some pebble models also manage to predict similarly low ratios). More extreme C/S and O/S ratios may be detectable in higher-metallicity atmospheres, suggesting that smaller and more metal-rich gas and ice giants may be particularly interesting targets for testing planet formation models. Future studies should explore the dependence of SO2 on a wider array of planetary and stellar parameters, both for the prototypical SO2 planet WASP-39b, as well as for other hot Jupiters and smaller gas giants.

研究の動機と目的

• SO₂濃度が揮発性成分対硫黄比を調べることで、系外惑星形成モデルを制約できるかを検証すること。
• C、O、Sの異なる含有量下での透過スペクトルにおけるSO₂の検出可能性を評価すること。
• WASP-39bの観測されたSO₂濃度が、原始小惑星付加モデルとペブル付加モデルのどちらにより適しているかを特定すること。
• SO₂を診断手段として用いることで形成理論を検証するための最適な標的を同定すること。

提案手法

• WASP-39bに類似した条件を想定し、C、O、S含有量の11³通りの組み合わせ（太陽比の1–100倍）を用いた3次元光化学モデルのグリッドを構築した。
• 夕方および朝の終止線における温度プロファイルを用いて、平均終止線透過スペクトルを計算した。
• H₂OおよびH₂Sの光分解を組み込み、反応 H₂S + 2 H₂O + 光子 → SO₂ + 3 H₂ を通じてSO₂を生成するプロセスをモデルに組み込んだ。
• UV放射および乱流拡散係数（Kzz）を変化させ、それらがSO₂の濃度プロファイルに与える影響を評価した。
• JWST/NIRSpecおよびMIRI/LRS観測を模擬するため、合成スペクトルを生成し、検出可能性分析を行った。
• SO₂の垂直プロファイルが一様でないことを考慮し、高度に依存する濃度を仮定せずにモデル化した。

Figure 1: Predicted atmospheric ratios of C/S, O/S, and C/O based on initial planet location, from the planet formation models of Schneider & Bitsch ( 2021b , SB21; upper, thicker curves) and Pacetti et al. ( 2022 , P22; lower, thinner curves). Although individual models span a range of final compos

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星の大気中のSO₂濃度を用いて、揮発性成分対硫黄比（C/S、O/S）を推定し、惑星形成メカニズムを制約できるか？
• RQ2 WASP-39bのようなホット・ジュピターの透過スペクトルにおいて、SO₂が検出可能となるC/SおよびO/S比の範囲は何か？
• RQ3 WASP-39bの観測されたSO₂濃度（1–10 ppm）は、原始小惑星付加モデルとペブル付加モデルのどちらにより適合するか？
• RQ4 UV放射および垂直混合（Kzz）の変動が、SO₂の検出可能性および濃度プロファイルに与える影響は何か？
• RQ5 より小規模で金属量の高いガス惑星およびイce惑星は、SO₂を用いた形成歴史の探査に適した標的となるか？

主な発見

• WASP-39bに類似したO/HおよびC/Hの増加（約10倍太陽比）を想定した条件下で、SO₂はC/SおよびO/S比が≤1.5×太陽比である場合にのみ透過スペクトルで検出可能である。
• WASP-39bの観測されたSO₂濃度（1–10 ppm）は、ペブル付加モデルよりも原始小惑星付加モデルに整合性があるが、一部のペブルモデルでも低比を再現可能である。
• 高金属量の大気は、より極端なC/SおよびO/S比の検出を可能にする可能性があり、より小規模で金属量の高いガス惑星およびイce惑星が、形成歴史の探査に有望な標的となる。
• UV放射の変動はSO₂濃度にわずかな影響を及ぼすが、FUV放射が顕著に増加すればSO₂濃度は最大10⁴倍まで低下する可能性がある。
• 高度に一様なSO₂濃度を仮定すると、実際の濃度（0.01–10 mbarでピークを示す）を低く見積もることになり、逆引き精度に影響を及ぼす。
• 今後、窒素含有量が測定可能であれば、硫黄対窒素比も付加モードの探査に有用な診断指標となる可能性がある。

Figure 2: In the main panel, the dashed line shows the SO 2 VMR, averaged from 0.01–10 mbar, as all elemental abundances are increased in lockstep; the gray region shows the approximate SO 2 abundance reported for WASP-39b. The inset shows the full vertical SO 2 profiles.