[논문 리뷰] Evaporation rate of hot Jupiters and formation of Chthonian planets

G. Hébrard, A. Lecavelier des Étangs외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 12. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 극한 자외선 조사와 tidal 힘이 뜨거운 목성에서 강력한 대기 기화를 일으키며, 온도가 10,000 K 이상일 경우 질량 손실 속도가 1–5×10¹¹ g s⁻¹에 이르며, 이는 단주기 행성의 희소성과 완전한 대기 기화 후 잔류 암석 핵으로 구성된 '초토니언 행성'—Chthonian planets—의 존재를 설명한다.

ABSTRACT

Among the hundred of known extrasolar planets, about 15% are closer than 0.1 AU from their parent stars. But there are extremely few detections of planets orbiting in less than 3 days. At this limit the planet HD209458b has been found to have an extended upper atmosphere of escaping hydrogen. This suggests that the so-called hot Jupiters which are close to their parent stars could evaporate. Here we estimate the evaporation rate of hydrogen from extrasolar planets in the star vicinity. With high exospheric temperatures, and owing to the tidal forces, planets evaporate through a geometrical blow-off. This may explain the absence of Jupiter mass planets below a critical distance from the stars. Below this critical distance, we infer the existence of a new class of planets made of the residual central core of former hot Jupiters, which we propose to call the ``Chthonian'' planets.

연구 동기 및 목표

• 3일 이하의 궤도 주기를 가진 뜨거운 목성의 관측된 희소성은 그들이 기대되는 형성 빈도와 일치하지 않기 때문에 이를 설명하기 위해.
• 상층 대기의 온도와 중력에 대한 오래된 가정을 재검토함으로써, 뜨거운 목성에서 대기 질량 손실의 중요성을 재평가하기 위해.
• 기화된 뜨거운 목성의 잔류 핵으로 이루어진 새로운 유형의 외계행성—초토니언 행성—을 제안하기 위해.
• 로체 루프를 기반으로 수정된 외기층 경계 정의를 사용한 향상된 지아스 스케이프 모델을 적용하여 뜨거운 목성에서 수소의 기화 속도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 흑체 평형 온도를 대체하여, 항성의 극한 자외선 플럭스와 냉각 메커니즘 간의 에너지 균형을 고려한 상층 대기 온도의 물리적으로 타당한 추정치를 사용하였다.
• 외기층 경계를 행성의 로체 루프까지의 거리보다 평균 자유로운 경로가 더 긴 고도로 정의함으로써, 더 정확한 기체 유출 속도 계산이 가능해졌다.
• 입자 속도의 보울츠만 분포를 사용하여, 외기층 온도에 따라 수소 기화 유량을 지아스 스케이프 이론을 적용해 계산하였다.
• tidal 힘이 대기 중력에 영향을 주므로, 궤도 거리와 행성 질량에 따라 뜨거운 목성의 질량 손실 수명을 계산하였다.
• 하우브르 공간망원경의 Ly-α 관측을 통해 최소 10¹⁰ g s⁻¹의 기화 유량을 제약 조건으로 설정하고, 이와 이론적 예측을 비교하였다.
• 항성의 극한 자외선과 Ly-α 광자에 의한 가열을 도선, 이온화 및 기화에 의한 냉각과 균형을 맞추어 약 10,000 K 수준의 최소 상층 대기 온도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3일 이하의 궤도 주기를 가진 뜨거운 목성이 그들이 기대되는 빈도와는 다르게 희소한 이유는 무엇인가요?
• RQ2 강력한 항성 조사와 tidal 힘에 노출된 뜨거운 목성에서 진정으로 대기 질량 손실의 크기는 어느 정도인가요?
• RQ3 실제 상층 대기 온도를 고려한 이론적 지아스 스케이프 모델로 HD 209458b에서 관측된 수소 기화를 설명할 수 있을까요?
• RQ4 뜨거운 목성의 수명은 질량과 궤도 거리에 따라 어떻게 달라지며, 이는 매우 단주기 행성의 관측된 희소성과 일치합니까?
• RQ5 기화된 뜨거운 목성의 잔류 핵이 새로운 유형의 외계행성일 수 있으며, 그들의 특성은 무엇이겠습니까?

주요 결과

• HD 209458b와 같은 뜨거운 목성의 상층 대기 온도는 극한 자외선과 Ly-α 조사로 인해 최소 10,000 K로 추정되며, 이는 이전의 흑체 추정치보다 훨씬 높다.
• HD 209458b의 수소 기화 유량은 1–5×10¹¹ g s⁻¹로 추정되며, 하우브르 공간망원경의 Ly-α 관측 결과와 일치하며, 최소 기준으로 10¹⁰ g s⁻¹가 설정되어 있다.
• 행성의 나이가 5×10⁹년일 경우, HD 209458b는 대기 기화로 인해 총 질량의 1%에서 7%를 잃었을 수 있다.
• 2–3일 이하의 궤도 주기를 가진 뜨거운 목성들은 급속한 질량 손실로 인해 매우 짧은 수명을 가지며, 이는 관측된 희소성의 원인을 설명한다.
• 근접 궤도에 있는 저질량 행성들도 짧은 수명을 가지며, 이는 대기 조성이 시간이 지남에 따라 크게 변화할 수 있음을 시사하며, 수소가 적거나 대기가 없는 잔류체로 이어질 수 있다.
• 이론적 모델링은 기존 기체 상태의 뜨거운 목성에서 완전한 대기 기화 후 남는 밀도 높은 핵으로 이루어진 새로운 유형의 외계행성—초토니언 행성—의 존재를 지지한다.