[논문 리뷰] Characterization of exoplanets from their formation III: The statistics of planetary luminosities

C. Mordasini, Gabriel-Dominique Marleau외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 187인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 핵형성 모델을 사용하여 형성 및 진화 과정 중 행성의 광도 분포를 인구 합성적으로 연구한다. 가스 및 소행성의 응집 열 효율이 다양하게 설정된 경우를 고려하며, 기장 행성의 경우 평탄한 로그-광도 분포를 예측하고, 저질량 행성(M ≲ 10–40 M⊕)의 빈도가 높기 때문에 낮은 광도 쪽으로 급격한 증가가 일어나며, 응집 역사를 알 수 없는 경우 같은 질량에서 광도가 2–3개 정도의 주기 차이를 보일 수 있다.

ABSTRACT

This paper continues a series in which we predict the main observable characteristics of exoplanets based on their formation. In Paper I we described our global planet formation and evolution model. In Paper II we studied the planetary mass-radius relationship. Here we present an extensive study of the statistics of planetary luminosities during both formation and evolution. Our results can be compared with individual directly imaged (proto)planets as well as statistical results from surveys. We calculated three synthetic planet populations assuming different efficiencies of the accretional heating by gas and planetesimals. We describe the temporal evolution of the planetary mass-luminosity relation. We study the shock and internal luminosity during formation. We predict a statistical version of the post-formation mass versus entropy "tuning fork" diagram. We find high nominal post-formation luminosities for hot and cold gas accretion. Individual formation histories can still lead to a factor of a few spread in the post-formation luminosity at a given mass. However, if the gas and planetesimal accretional heating is unknown, the post-formation luminosity may exhibit a spread of as much as 2-3 orders of magnitude at a fixed mass covering cold, warm, and hot states. As a key result we predict a flat log-luminosity distribution for giant planets, and a steep increase towards lower luminosities due to the higher occurrence rate of low-mass planets. Future surveys may detect this upturn. During formation an estimate of the planet mass may be possible for cold gas accretion if the gas accretion rate can be estimated. Due to the "core-mass effect" planets that underwent cold gas accretion can still have high post-formation entropies. Once the number of directly imaged exoplanets with known ages and luminosities increases, the observed distributions may be compared with our predictions.

연구 동기 및 목표

• 핵형성 기반의 인구 합성 접근법을 사용하여 형성 및 진화 과정 중 행성 광도의 통계적 분포를 모델링하기.
• 가스 및 소행성의 응집 열이 형성 후 광도에 미치는 영향과 다양한 행성 질량에서의 변동성 평가하기.
• 핵 질량과 응집 역사를 중심으로 행성의 엔트로피와 광도를 결정짓는 요인을 연구하며, 특히 냉각된 가스 응집과 뜨거운 가스 응집의 맥락을 고려하기.
• 디우테륨 연소를 포함하여 질량-반지름 관계를 업데이트하고, 예측된 광도 분포를 직접 영상 촬영 조사와 비교하기.
• 나이나 응집 속도 정보가 없을 경우, 자가광도를 띤 외계행성의 탐지 가능성과 광도로부터 질량 추정에 대한 제약 조건 평가하기.

제안 방법

• 형성 과정 중 가스 및 소행성 응집 열 효율이 다른 세 가지 합성 행성 인구를 시뮬레이션하였다.
• 핵형성 기반의 행성 형성 및 진화 모델을 사용하여 질량-광도 관계의 시간적 진화를 추적하였다.
• 급속 응집 단계와 침체 단계에서 충격광도와 내부광도를 계산하여 각각의 기여도를 평가하였다.
• 열적 진화 모델에 디우테륨 연소를 통합하여 시간이 지남에 따라 질량-반지름 관계를 정밀화하였다.
• 형성 경로를 시각화하기 위해 형성 후 질량 대 엔트로피 '트리개도'의 통계적 버전을 생성하였다.
• 3차원 유체역학 모델을 사용하여 소행성 충돌에 의한 열효과를 추정하였으며, 에너지 침입 및 국소 혼합 효과를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 질량에서 가스 및 소행성의 응집 열 효율이 형성 후 외계행성의 광도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 형성 역사를 둘러싼 변동성이 광도 분산을 얼마나 유도하는가? 이 분산은 다양한 응집 시나리오에서 정량화 가능한가?
• RQ3 행성 광도의 통계적 분포는 무엇이며, 저질량 행성(M ≲ 10–40 M⊕)의 빈도가 높기 때문에 낮은 광도 쪽으로 탐지 가능한 급격한 증가를 예측하는가?
• RQ4 핵 질량 효과는 냉각된 가스 응집을 통해 형성된 행성이라도 높은 형성 후 광도를 달성하게 하며, 중력 불안정성과 같은 대체 형성 메커니즘의 필요성을 줄여주나?
• RQ5 가스 응집 속도에 대한 불확실성이 직접 영상 촬영된 외계행성의 광도로부터 질량 추정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 동일한 질량의 행성이라도 개별 형성 역사를 거쳐 응집 모드가 동일하더라도 형성 후 광도는 5~20배의 범위로 변동할 수 있다.
• 급속 응집 단계 동안의 가스 응집 속도를 알 수 없는 경우, 같은 질량에서 광도 분산은 2–3개 주기에 이르며, 이는 광도만으로 질량 추정에 심각한 제약을 가한다.
• 기장 행성의 경우 평탄한 로그-광도 분포를 예측하며, 저질량 행성(M ≲ 10–40 M⊕)의 빈도가 높기 때문에 낮은 광도 쪽으로 급격한 증가가 일어난다.
• 핵 질량 효과는 냉각된 가스 응집을 통해 형성된 행성도 높은 형성 후 엔트로피와 광도를 달성하게 하며, 관측된 밝은 천체를 설명하기 위해 중력 불안정성 형성 메커니즘이 반드시 필요하지 않음을 시사한다.
• 디우테륨 연소는 열적 진화에 상당한 영향을 미치며, 특히 어린 고질량 행성에서 시간이 지남에 따라 질량-반지름 관계를 업데이트한다.
• 미래의 직접 영상 촬영 조사에서 예측된 저광도 행성의 발생 수 증가를 탐지할 수 있으며, 이는 모델의 통계적 광도 분포에 대한 검증 기회를 제공한다.