[논문 리뷰] Mantle Degassing Lifetimes through Galactic Time and the Maximum Age Stagnant-lid Rocky Exoplanets can Support Temperate Climates

Cayman T. Unterborn, Bradford J. Foley외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 08.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 126인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 은하화학진화 모델과 몬테카를로 열진화 시뮬레이션을 결합하여 정지판 고체행성에서 맨틀 가스분비의 수명을 모델링하며, 40K, 232Th, 235U, 238U로부터 유래하는 방사성열을 통해 기후가 온화한 상태를 유지할 수 있는 기간을 추정한다. 악관측적 가정 하에 관측된 17개의 암석질 외계행성 중 오직 7개만이 오늘날 활발히 가스분비를 지속하고 있을 가능성이 있으며, 가스분비 수명은 초기 열생성 원소(HPE) 농도와 행성 질량에 크게 의존한다.

ABSTRACT

The ideal exoplanets to search for life are those within a star's habitable zone. However, even within the habitable zone planets can still develop uninhabitable climate states. Sustaining a temperate climate over geologic ($\sim$Gyr) timescales requires a planet contain sufficient internal energy to power a planetary-scale carbon cycle. A major component of a rocky planet's energy budget is the heat produced by the decay of radioactive elements, especially $^{40}$K, $^{232}$Th, $^{235}$U and $^{238}$U. As the planet ages and these elements decay, this radiogenic energy source dwindles. Here we estimate the probability distribution of the amount of these heat producing elements (HPEs) that enter into rocky exoplanets through Galactic history, by combining the system-to-system variation seen in stellar abundance data with the results from Galactic chemical evolution models. Using these distributions, we perform Monte-Carlo thermal evolution models that maximize the mantle cooling rate. This allows us to create a pessimistic estimate of lifetime a rocky, stagnant-lid exoplanet can support a global carbon cycle and temperate climate as a function of its mass and when it in Galactic history. We apply this framework to a sample of 17 likely rocky exoplanets with measured ages, 7 of which we predict are likely to be actively degassing today despite our pessimistic assumptions. For the remaining planets, including those orbiting TRAPPIST-1, we cannot confidently assume they currently contain sufficient internal heat to support mantle degassing at a rate sufficient to sustain a global carbon cycle or temperate climate without additional tidal heating or undergoing plate tectonics.

연구 동기 및 목표

• 정지판 고체행성에서 맨틀 가스분비를 통해 기후가 온화한 상태를 유지할 수 있는 최대 연령을 결정하기 위해.
• 은하화학진화가 암석질 외계행성의 초기 열생성 원소(HPE) 농도 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 내부 열이 글로벌 탄소순환을 가능하게 할 정도로 충분히 남아 있는지 평가하여 관측된 외계행성의 거주 가능성을 점검하기 위해.
• 맨틀 수분 함량과 tidal 가열이 가스분비 수명을 얼마나 연장시키는지 평가하기 위해.
• 은하계별로 관측 가능한 자료를 기반으로 한 낙관적인 추정치를 제공하기 위해.

제안 방법

• Hypatia 카탈로그에서 확보한 항성 농도 자료를 은하화학진화 모델과 결합하여 외계행성의 초기 HPE 분포를 추정한다.
• 관측된 시스템 간 변동성을 기반으로 HPE 농도(40K, 232Th, 238U/Eu)에 대한 몬테카를로 샘플링을 수행한다.
• 최대 냉각 조건을 가정한 업데이트된 열진화 모델을 적용하여 맨틀 냉각 및 가스분비 속도를 시뮬레이션한다.
• 가스분비 수명을 지정된 표면적 기준으로 Earth의 현재 속도의 10% 이하로 떨어지는 순간으로 정의한다.
• 맨틀 수분 함량과 고체점도 온도를 변화시켜 그 가스분비 지속 기간에 미치는 영향을 평가한다.
• 측정된 연령이 있는 17개의 관측된 암석질 외계행성에 결과를 스케일링하여 현재의 거주 가능성 잠재력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방사성열 붕괴를 고려할 때, 정지판 고체행성은 맨틀 가스분비와 온화한 기후를 얼마나 오랫동안 유지할 수 있는가?
• RQ2 은하 역사 전반에 걸쳐 열생성 원소(HPE)의 초기 농도는 어떻게 변화하며, 그로 인해 행성의 열진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 내부 열과 HPE 농도에 대해 악관측적 가정을 적용할 경우, 관측된 외계행성 중 어떤 행성이 오늘날 활발히 가스분비를 하고 있을 가능성이 있는가?
• RQ4 맨틀 수분 함량은 가스분비 수명과 장기적인 기후 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 오래된 외계행성에서 거주 가능한 조건을 유지하기 위해, tidal 가열 또는 판구조운동이 얼마나 필수적인가?

주요 결과

• 악관측적 가정 하에 관측된 17개의 암석질 외계행성 중 오직 7개만이 오늘날 활발히 가스분비를 지속하고 있을 가능성이 있으며, 이는 여전히 글로벌 탄소순환을 지원할 가능성이 있음을 시사한다.
• 가스분비 수명은 초기 HPE 농도에 크게 의존하며, 은하 초기에 형성된(고HPE) 행성은 더 긴 잠재적 거주 수명을 가진다.
• 지구 질량의 행성의 경우, 초기 40K 농도가 지구 수준일 때 가스분비 수명이 최대화되며, 40K 농도를 두 배로 늘리거나 반으로 줄이면 Agemax가 ±2 Gyr 이내로 변동한다.
• 맨틀 수분 함량은 복잡한 영향을 미친다: 수분은 고체점도 온도를 낮추고 융해를 촉진할 수 있으나, 고농도(0.2 wt% 초과)에서는 압력 증가로 인해 가스분비를 억제할 수 있다.
• 초기 HPE 농도가 높은 행성(예: 지구의 40K 농도의 2배)은 최대 약 10 Gyr 동안 가스분비를 유지할 수 있으나, 저HPE 행성은 3~5 Gyr 이내에 가스분비를 멈출 수 있다.
• TRAPPIST-1 행성과 기타 오래된 시스템은 추가적인 열원(예: tidal 가열 또는 판구조운동)이 없이선 가스분비 또는 온화한 기후를 유지를 확신할 수 없다.