[논문 리뷰] In situ formation of super-Earth/sub-Neptune driven by the planetary rotation

Wei Zhong, Cong Yu|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 03.

Astro and Planetary Science참고 문헌 66인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 행성의 자전이 형성 중인 초지구/서브-목성의 냉각과 수축을 지연시킨다고 제안한다. 자전은 대류 및 복사 영역 내 복사 에너지 밀도를 감소시켜 복사-대류 경계(RCB)가 더 깊이 침투하게 하며, 이는 냉각 빛의 밝기를 감소시키고, 디스크 수명(10 Myr)을 초월하는 진화 시간 스케일을 만들어내어, 특히-dusty 대기로 인해 강화될 경우 중간 정도의 핵 질량으로도 초지구/서브-목성 형성이 가능하게 한다.

ABSTRACT

Kepler's observation shows that many of the detected planets are super-Earths. They are inside a range of critical masses overlapping the core masses (2-20 $M_{\bigoplus}$), which would trigger the runaway accretion and develop the gas giants. Thus, super-Earths/sub-Neptunes can be formed by restraining runaway growth of gaseous envelopes. We assess the effect of planetary rotation in delaying the mass growth. The centrifugal force, induced by spin, will offset a part of the gravitational force and deform the planet. Tracking the change in structure, we find that the temperature at the radiative-convective boundary (RCB) is approximate to the boundary temperature. Since rotation reduces the radiation energy densities in the convective and radiative layers, RCB will penetrate deeper. The cooling luminosity would decrease. Under this condition, the evolutionary timescale can exceed the disk lifetime (10 Myr), and a super-Earth/sub-Neptune could be formed after undergoing additional mass loss processes. In the dusty atmosphere, even a lower angular velocity can also promote a super-Earth/sub-Neptune forming. Therefore, we conclude that rotation can slow down the planet's cooling and then promote a super-Earth/sub-Neptune forming.

연구 동기 및 목표

• 행성의 자전이 초지구/서브-목성의 형성 시간 스케일에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자전에 의한 열적 및 구조적 진화의 변화가 런어웨이 기체 유입을 지연시킬 수 있는지 판단하는 것.
• 자전이 복사-대류 경계(RCB)를 깊이 있게 만들고 냉각 빛의 밝기를 감소시키는 데서 수행하는 역할를 평가하는 것.
• 자전과 먼지 투과율의 조합 효과가 초지구/서브-목성 형성에 어떻게 기여하는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 원형의 이완형을 고려한 2차원 타원체 근사법을 사용하여 자전에 의한 관성력에 의한 변형을 반영한 행성의 수직 평형을 모델링하는 것.
• 자전에 의한 변형으로 인한 중력 포텐셜 및 온도 기울기 변화를 계산하는 것.
• 다양한 각속도에서 복사-대류 경계(RCB)의 침투 깊이를 추적하는 것.
• 대류 및 복사 영역 내 복사 에너지 밀도 감소로 인한 냉각 빛의 밝기 감소와 켈빈-헬름홀츠(KH) 시간 스케일 단축을 평가하는 것.
• -envelope 내 먼지 투과율 효과를 통합하여 자전과의 상호작용이 진화 시간 스케일 연장에 어떻게 기여하는지 평가하는 것.
• 행성의 붕괴를 피하기 위해 ω < ωcrit 범위 내에서 각속도를 자유 매개변수로 설정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행성의 자전은 형성 중인 초지구/서브-목성의 복사-대류 경계(RCB) 깊이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 자전은 냉각 빛의 밝기를 얼마나 감소시키며, 10 Myr를 초월하는 진화 시간 스케일을 얼마나 연장시키는가?
• RQ3 자전만으로, 또는 먼지 투과율과 조합하여, 런어웨이 기체 유입을 지연시키고 초지구/서브-목성 형성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 자전은 진화 중인 원형 행성의 중력 포텐셜과 수직 평형에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 각속도는 핵 질량 성장과 대류권 수축의 시간 스케일 조절에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자전은 대류 및 복사 영역 내 복사 에너지 밀도를 감소시켜 복사-대류 경계(RCB)가 행성 내부로 더 깊이 침투하게 한다.
• RCB에서의 온도는 경계 온도와 약간 같아지며(T_RCB ∼ T_d), 이는 자전으로 인한 열적 평형 이동을 나타낸다.
• RCB의 깊은 침투로 인해 냉각 빛의 밝기가 감소하여 행성 수축 속도가 느려지고 진화 시간 스케일이 연장된다.
• 진화 시간 스케일이 10 Myr(일반적인 디스크 수명)를 초월할 경우, 런어웨이 기체 유입을 유도할 수 있는 핵 질량이라도 초지구/서브-목성 형성이 가능해진다.
• 먼지 대기에서는 낮은 각속도에서도 진화 시간 스케일이 크게 연장되어 초지구/서브-목성 형성 가능성이 높아진다.
• 자전은 복사 영역 크기를 증가시키며 유체 난류와 코리올리 효과를 유도할 수 있어 에너지 수송 및 행성의 구조를 추가로 변화시킨다.