[논문 리뷰] Formation of planetary systems by pebble accretion and migration: How the radial pebble flux determines a terrestrial-planet or super-Earth growth mode

Michiel Lambrechts, Alessandro Morbidelli외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 22.

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한 줄 요약

자갈 유량이 성장 모드를 결정한다: 낮은 자갈 유량은 최소한의 천이와 함께 지구형과 같은 느린 성장을 낳고, 대략 두 배 가까이 높은 유량은 빠른 천이와 근접한 초지구 형성을 촉진한다; 기체 소멸 이후의 진화는 행성계가 지구형 행성으로 가는 경로 또는 불안정한 초지구계로 갈라진다.

ABSTRACT

Super-Earths are found in tighter orbits than the Earth's around more than one third of main sequence stars. It has been proposed that super-Earths are scaled-up terrestrial planets that formed similarly, through mutual accretion of planetary embryos, but in discs much denser than the solar protoplanetary disc. We argue instead that terrestrial planets and super-Earths have two distinct formation pathways that are regulated by the disc's pebble reservoir. Through numerical integrations, which combine pebble accretion and N-body gravity between embryos, we show that a difference of a factor of two in the pebble mass-flux is enough to change the evolution from the terrestrial to the super-Earth growth mode. If the pebble mass-flux is small, then the initial embryos within the ice line grow slowly and do not migrate substantially, resulting in a widely spaced population of Mars-mass embryos when the gas disc dissipates. Without gas being present, the embryos become unstable and a small number of terrestrial planets are formed by mutual collisions. The final terrestrial planets are at most 5 Earth masses. Instead, if the pebble mass-flux is high, then the initial embryos within the ice line rapidly become sufficiently massive to migrate through the gas disc. Embryos concentrate at the inner edge of the disc and growth accelerates through mutual merging. This leads to the formation of a system of closely spaced super-Earths in the 5 to 20 Earth-mass range, bounded by the pebble isolation mass. Generally, instabilities of these super-Earth systems after the disappearance of the gas disc trigger additional merging events and dislodge the system from resonant chains. The pebble flux - which controls the transition between the two growth modes - may be regulated by the initial reservoir of solids in the disc or the presence of more distant giant planets that can halt the radial flow of pebbles.

연구 동기 및 목표

• 지각 행성계와 초지구가 자갈 주도 경로로 형성되는지 구분하는가를 입증한다.
• 집적 자갈 유량이 전구체 성장, 이동, 시스템 구조에 어떤 영향을 주는지 정량화한다.
• 가스 소멸 후의 진화 및 결과 행성계의 안정성 탐구한다.

제안 방법

• 가스 원판, Type-I 이동, 이심률/충돌 진폭 감쇠, 자갈 포섭에 대한 처치를 적용한 수정된 N-체 코드(SyMBA)를 사용한다.
• H/r=0.04, Sigma_g = 610 (r/AU)^-1/2 exp(-t/t_disc) g/cm^2, alpha=1e-4, t_disc=1 Myr, disc 단계 = 3 Myr인 원반 모델을 사용한다.
• Pebble flux F_peb(t) = F_peb,0 exp(-t/t_peb) with t_peb = t_disc and F_peb,nom = 120 M_E/Myr를 구현한다.
• 0.5–3 AU에서 초기 총 질량 0.25 M_E인 Moon-질량 전구체 25개를 시뮬레이션한다.
• Stokes 수 tau_f = 3e-3를 상수로 가정하고 pebble 필터링 및 isolation mass M_iso ≈ 10 (H/r)^3 M_E를 허용한다.
• 저유성 흐름(저자유)에서의 네 가지 pebble-flux 시퀀스(runf1, runf3, runf5, runf9)를 탐색하여 낮은-높은 유량 구간을 포괄한다.]
• research_questions:[

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부로 들어가는 자갈 유량이 시스템이 지구형 지각 행성과 compact한 초지구 계를 형성하는지 결정하는가?
• RQ2 가장 낮은 유량과 높은 유량 결과 사이의 최종 구조적 차이(질량, 간격, 공전 공진)는 디스코스 소실 후 무엇인가?
• RQ3 가스 원반 단계에서의 이동 및 자갈 포섭이 디스코스 소실 후의 진화에 어떤 상호작용을 만들어내는가?
• RQ4 형성 이력, 구조 및 대기에 기반하여 Earth-like 행성과 초지구를 구별할 수 있는 관측 기준은 무엇인가?

주요 결과

• 낮은 자갈 유량(< ~110 M_E)일 때 전구체가 Mars 질량까지 성장하고 천이가 거의 없어 기체 소멸 후에 넓게 간격 있는 지구형 행성들을 형성한다.
• 자갈 유량을 약 두 배로 증가시키면 빠른 이동과 내부 집중이 촉발되어 내쪽 가장자리(0.1 AU) 근처에 5–20 M_E 규모의 초지구로 구성된 콤팩트한 시스템을 형성한다.
• 내부 행성 포섭을 멈추고 내부 전구체로의 자갈 플럭스를 감소시키는 형성 질량인 초지구 격자 이탈 질량(~10 M_E)은 최종 질량과 간격에 영향을 준다.
• 디스크를 소실한 후 초지구 시스템은 매우 불안정해지며 90% 이상이 병합 및 공진 비율이 아닌 궤도로 전이되지 않는 경향이 있으며, 반면에 지구형 시스템은 수천만 년에 걸친 거대 충돌을 거쳐 Earth-에서 Mars- 크기의 행성을 형성한다.
• 지구형 성장은 더 넓은 궤도에서 대기 작은 행성을 만들고, 초지구 성장은 근접한 행성을 만들어 primordial H/He 껍질과 함께 있을 가능성이 높으며, 방사선으로 잃지 않는 한 그것을 유지한다.
• 최종 구조는 가스 원반 동안 응집된 구성으로 보이며 많은 행성 쌍이 1차 공진(예: 4:3)에 근접하고 있지만, 분산 후 공진 사슬은 불안정화된다.