[논문 리뷰] Predictions for the Period Dependence of the Transition Between Rocky Super-Earths and Gaseous Sub-Neptunes and Implications for $η_{\mathrm{\oplus}}$

Eric Lopez, Ken Rice|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 28.

Astro and Planetary Science인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 단기 주기의 암석성 초지구가 하위목성의 증발된 핵인지, 아니면 기체 막대가 없는 본질적인 암석성 행성인지를 조사한다. 광학적 증발 모델과 N체 시뮬레이션을 사용하여, 만약 행성이 증발된 핵이라면 전이 반지름은 궤도 주기가 길어질수록 감소해야 하고, 만약 기체 막대 없이 형성된다면 증가해야 한다는 것을 예측한다. 이는 TESS의 반직경 속도 후속 관측을 통해 검증 가능한 구별 기준을 제공한다.

ABSTRACT

One of the most significant advances by NASA's ${\mathit Kepler}$ Mission was the discovery of an abundant new population of highly irradiated planets with sizes between the Earth and Neptune. Subsequent analysis showed that at ~1.5 Earth radii there is a transition from a population of predominantly rocky super-Earths to non-rocky sub-Neptunes, which must have substantial volatile envelopes. Determining the origin of these highly irradiated rocky planets will be critical to our understanding of low-mass planet formation and the frequency of potentially habitable Earth-like planets. These short-period rocky super-Earths could simply be the stripped cores of sub-Neptunes, which have lost their envelopes due to atmospheric photo-evaporation or other processes, or they might instead be a separate population of inherently rocky planets, which never had significant envelopes. Using models of atmospheric photo-evaporation, we show that if most bare rocky planets are the evaporated cores of sub-Neptunes then the transition radius should decrease as surveys push to longer orbital periods, since on wider orbits only planets with smaller less massive cores can be stripped. On the other hand, if most rocky planets formed after their disks dissipate then these planets will have formed without initial gaseous envelopes. In this case, we use N-body simulations of planet formation to show that the transition radius should increase with orbital period, due to the increasing solid mass available in their disks. Moreover, we show that distinguishing between these two scenarios should be possible in coming years with radial velocity follow-up of planets found by TESS. Finally, we discuss the broader implications of this work for current efforts to measure $\eta_{\mathrm{\oplus}}$, which may yield significant overestimates if most rocky planets form as evaporated cores.

연구 동기 및 목표

• 단기 주기의 암석성 초지구의 기원을 규명한다 — 하위목성의 껍질이 벗겨진 핵인지, 아니면 초기 기체 막대 없이 형성된 본질적인 암석성 행성인지를 확인한다.
• 다른 형성 시나리오 하에서 암석성 초지구와 기체성 하위목성 간의 전이 반지름이 궤도 주기에 따라 어떻게 달라지는지 평가한다.
• 이러한 형성 경로가 지구형 행성 빈도인 η⊕의 추정치에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.
• 향후 TESS 데이터와 반직경 속도 후속 관측을 통해 두 형성 시나리오를 구별할 수 있는 관측적 테스트를 특정한다.

제안 방법

• 다양한 궤도 주기에서 하위목성의 기체 막대가 광학적 증발에 의해 벗겨지는 것을 시뮬레이션하기 위해 대기 증발 모델링을 수행한다.
• 주변 항성으로부터의 거리에 따라 원형행성 원반 내 고체 질량의 가용성을 평가하기 위해 행성 형성의 N체 시뮬레이션을 사용한다.
• 핵 잔류 시나리오와 초기 암석성 형성 시나리오의 두 경우에 대해 암석성 초지구와 하위목성 간의 예측 전이 반지름을 비교한다.
• 전이 반지름이 궤도 주기에 따라 어떻게 달라지는지 분석하여 관측 가능한 서명을 도출한다.
• 이론적 예측을 TESS와 반직경 속도 설문조사의 기대 관측 능력과 통합하여 두 시나리오 간의 구별 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만약 암석성 초지구가 주로 증발된 핵이라면, 전이 반지름은 궤도 주기가 길어질수록 어떻게 변하는가?
• RQ2 만약 암석성 행성이 초기 기체 막대 없이 형성된다면, 전이 반지름은 궤도 주기가 길어질수록 어떻게 변하는가?
• RQ3 TESS가 발견한 행성의 반직경 속도 후속 관측을 통해 증발된 핵 시나리오와 초기 암석성 행성 형성 시나리오를 구별할 수 있는가?
• RQ4 암석성 행성의 형성 경로가 η⊕ 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 궤도 거리에서 원반의 고체 질량 분포는 관측된 전이 반지름에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 암석성 초지구가 하위목성의 증발된 핵이라면, 더 넓은 궤도에서 광학적 증발의 효율성이 떨어지므로 궤도 주기가 길어질수록 전이 반지름이 감소해야 한다.
• 암석성 행성이 기체 막대 없이 형성된다면, 외곽 원반 영역에서 고체 질량의 가용성이 더 높기 때문에 궤도 주기가 길어질수록 전이 반지름이 증가해야 한다.
• 전이 반지름의 주기적 의존성은 두 형성 경로를 명확히 구별할 수 있는 관측 가능한 테스트를 제공한다.
• 향후 몇 년 내에 TESS 행성의 반직경 속도 후속 관측을 통해 이 구별이 가능할 것으로 예상된다.
• 만약 대부분의 암석성 행성이 초기 암석성 몸체가 아니라 증발된 핵이라면 현재의 η⊕ 추정치는 상당히 과대평가되었을 수 있다.
• 형성 경로 간의 구별은 행성 형성과 적응 가능 행성 빈도 이해에 중요한 영향을 미친다.