[논문 리뷰] The effect of late giant collisions on the atmospheres of protoplanets and the formation of cold sub-Saturns

Mohamad Ali-Dib, A. Cumming외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 15.

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한 줄 요약

이 논문은 초임계 프로토행성 간의 거대한 충돌이 가열된 핵에서 발생하는 열적으로 유도된 초에딩턴 풍속에 의해 기체 대기를 벗겨내어 급속한 가속 증착을 방지하고, 질량이 큰 핵(~30 M⊕)과 낮은 질량의 대기(~몇 M⊕)를 가진 냉각된 서브-토이 판별성(CSS)을 형성하게 된다고 제안한다. 이 과정는 디스크의 붕괴 시기에 발생하며, 빠른 디스크 고갈로 인해 기계행성으로서의 발전을 피하게 되어, 관측된 CSS의 수가 이론적 예측보다 많은 이유를 설명한다.

ABSTRACT

We investigate the origins of cold sub-Saturns (CSS), an exoplanetary population inferred from microlensing surveys. If confirmed, these planets would rebut a theorised gap in planets' mass distribution between those of Neptune and Jupiter caused by the rapid runaway accretion of super-critical cores. In an attempt to resolve this theoretical-observational disparity, we examine the outcomes of giant collisions between sub-critical protoplanets. Due to the secular interaction among protoplanets, these events may occur in rapidly depleting discs. We show that impactors ~ 5% the mass of near-runaway envelopes around massive cores can efficiently remove these envelopes entirely via a thermally-driven super-Eddington wind emanating from the core itself, in contrast with the stellar Parker winds usually considered. After a brief cooling phase, the merged cores resume accretion. But, the evolution timescale of transitional discs is too brief for the cores to acquire sufficiently massive envelopes to undergo runaway accretion despite their large combined masses. Consequently, these events lead to the emergence of CSS without their transformation into gas giants. We show that these results are robust for a wide range of disc densities, grain opacities and silicate abundance in the envelope. Our fiducial case reproduces CSS with heavy (>= 30 M_Earth) cores and less massive (a few M_Earth) sub-critical envelopes. We also investigate the other limiting cases, where continuous mergers of comparable-mass cores yield CSS with wider ranges of core-to-envelope mass ratios and envelope opacities. Our results indicate that it is possible for CSS and Uranus and Neptune to emerge within the framework of well studied processes and they may be more common than previously postulated.

연구 동기 및 목표

• 마이크로렌즈 망원경 조사에서 관측된 냉각된 서브-토이 판별성(CSS)의 풍부함과 이론적으로 예측되는 중간 질량 행성의 '사막' 사이의 이론적-관측적 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 디스크 붕괴 단계 동안의 거대한 충돌이 핵의 급속한 가속 증착을 방지하고 CSS 형성으로 이어질 수 있는지 조사하기 위해.
• 핵 가열, 대기 벗겨내기, 디스크 고갈이 CSS의 최종 질량과 구조에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 거대한 충돌이 핵 질량 ≳30 M⊕이고 임계 이하인 대기를 가진 행성을 생성할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 이 메커니즘이 다양한 디스크 밀도, 입자 투과도, 규소질량 비율에 걸쳐 얼마나 견고한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 핵 가열에 의해 유도되는 초에딩턴 질량 손실를 시뮬레이션하기 위해 단순화된 열 풍속 프레임워크를 사용하여 충돌 후 대기 진화를 모델링하였다.
• 충돌에서 발생하는 에너지 소산을 시뮬레이션하여 핵의 온도 상승과 빛의 강도 증가를 추정하였다.
• 충격파 전파와 이후의 열 풍속 분출을 통해 대기 질량 손실를 추적하였으며, 에너지 전달 효율성에 중점을 두었다.
• 핵 질량(15–30 M⊕), 디스크 기체 밀도(10−14에서 10−11 g/cm³), 입자 투과도(0.00–1.50 × 10−2), 금속성분(solar/sub-solar)을 포함한 다양한 초기 조건를 변화시켰다.
• 디스크 유동에 의한 대기 재순환 여부에 따라 '건조' 및 '습기' 케이스를 모두 포함하여 재증착에 미치는 영향을 평가하였다.
• 기본 형성 가정 조건 하에서 결과를 인구 합성 모델(예: Ida & Lin 2004)과 비교하여 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계 핵에 가까운 프로토행성의 기체 대기를 거대한 충돌이 초에딩턴 풍속에 의해 효율적으로 벗겨내어 급속한 가속 증착을 방지할 수 있는가?
• RQ2 고속 충돌 이후 핵에 의한 초에딩턴 풍속이 대기 분출에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전이 단계 동안의 급속한 디스크 고갈은 충돌 후 기체 대기 재증착에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 디스크 밀도, 입자 투과도, 규소질량 비율의 변화가 최종 행성의 질량과 구조에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 이 메커니즘이 핵 질량 ≳30 M⊕이고 대기 질량 ≲10 M⊕인 냉각된 서브-토이 판별성을 생성할 수 있으며, 마이크로렌즈 관측 결과와 일치하는가?

주요 결과

• 0.5–1.5 M⊕의 충돌체를 가진 거대한 충돌은 핵에 의한 초에딩턴 풍속에 의해 20–30 M⊕의 프로토행성 대기를 완전히 벗겨내어 급속한 가속 증착을 방지할 수 있다.
• 대기 벗겨내기는 두 단계로 이루어지며, 초기 충격파 제거와 핵 가열에 의해 유도되는 열 풍속 분출이 이어지며, 이때 빛의 강도가 에딩턴 한계를 초과한다.
• 충돌 후 핵 냉각과 재증착은 전이 디스크 수명(~10⁵ yr)보다 수개의 주기보다 훨씬 짧은 시간 스케일에서 일어나 대기 성장이 제한된다.
• 10⁻¹⁴–10⁻¹¹ g/cm³ 범위의 다양한 디스크 밀도, 0.00–1.50 × 10⁻²의 입자 투과도, 다양한 규소질량 비율에서, 최종 대기 질량은 여전히 임계 이하로 유지되어 핵 질량 ≳30 M⊕, 대기 질량 수 M⊕인 냉각된 서브-토이 판별성을 형성한다.
• 디스크 유동에 의한 대기 재순환은 재증착된 대기 질량을 약간 감소시키지만, 핵심적인 결과인 임계 이하의 대기 성장에는 영향을 주지 않는다.
• 이 메커니즘은 마이크로렌즈 통계와 일치하는 행성을 생성하며, 이론적 예측의 '행성 사막'에 비해 관측된 CSS의 과잉을 설명한다.