[논문 리뷰] The New Generation Planetary Population Synthesis (NGPPS) II. Planetary population of solar-like stars and overview of statistical results

Alexandre Emsenhuber, C. Mordasini외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Astro and Planetary Science인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 태양과 유사한 별 주위의 행성계 형성과 진화를 시뮬레이션하기 위해 세대 III 버른 모델을 사용한 신세대 행성계 합성(NGPPS) 모델을 제시한다. 1~100개의 태양계 형성 임베디드체를 가진 5개의 인구를 시뮬레이션한 결과, 최소 10개의 임베디드체를 가진 시스템은 기간성 행성의 인구 특성을 재현하며, 100개의 임베디드체를 가진 인구만이 거대행성 충돌 단계에 도달하여 평균으로 1개 시스템당 8개 이상 1 M⊕인 행성이 존재하며, 18%는 거대행성을 포함하고 1.6%는 10 au 이외의 궤도에 거대행성을 포함한다.

ABSTRACT

Context. Planetary formation and evolution is a combination of multiple interlinked processes. Constraining the mechanisms observationally requires statistical comparison to a large diversity of planetary systems. Aims. We want to understand global observable consequences of different physical processes (accretion, migration, and interactions) and initial properties (like disc masses and metallicities) on the demographics of the planetary population. We also want to study the convergence of our scheme with respect to one initial condition, the initial number of planetary embryo in each disc. Methods. We selected distributions of initial conditions that are representative of known protoplanetary discs. Then, we used the Generation III Bern model to perform planetary population synthesis. We synthesise five populations with each a different initial number of Moon-mass embryos per disc: 1, 10, 20, 50, and 100. The last is our nominal population consisting of 1000 stars (systems) that was used for an extensive statistical analysis of planetary systems around 1 M⊙ stars. Results. The properties of giant planets do not change much as long as there are at least ten embryos in each system. The study of giants can thus be done with simulations requiring less computational resources. For inner terrestrial planets, only the 100-embryos population is able to attain the giant-impact stage. In that population, each planetary system contains, on average, eight planets more massive than 1 M⊕. The fraction of systems with giants planets at all orbital distances is 18%, but only 1.6% are at >10 au. Systems with giants contain on average 1.6 such planets. The planetary mass function varies as M−2 between 5 and 50 M⊕. Both at lower and higher masses, it follows approximately M−1. The frequency of terrestrial and super-Earth planets peaks at a stellar [Fe/H] of −0.2 and 0.0, respectively, being limited at lower [Fe/H] by a lack of building blocks, and by (for them) detrimental growth of more massive dynamically active planets at higher [Fe/H]. The frequency of more massive planets (Neptunian, giants) increases monotonically with [Fe/H]. The fast migration of planets in the 5–50 M⊕ range is reduced by the presence of multiple lower-mass inner planets in the multi-embryos populations. To assess the impact of parameters and model assumptions, we also study two non-nominal populations: insitu formation without gas-driven migration, and a different initial planetesimal surface density. Conclusions. We present one of the most comprehensive simulations of (exo)planetary system formation and evolution to date. For observations, the syntheses provides a large data set to search for comparison synthetic planetary systems that show how these systems have come into existence. The systems, including their full formation and evolution tracks are available online. For theory, they provide the framework to observationally test the global statistical consequences of theoretical models for specific physical processes. This is an important ingredient towards the development of a standard model of planetary formation and evolution.

연구 동기 및 목표

• 형성 과정에서의 물리적 과정(수집, 이동, 상호작용)과 초기 조건(디스크 질량, 금속성 농도)이 행성 인구 특성에 미치는 전체 관측 가능한 영향을 이해하기 위해.
• 초기 임베디드체 수에 따른 행성 인구 합성의 수렴성 평가를 위해.
• 특히 거대행성에 대해 핵심적인 행성계 특성을 캡처하기 위한 최소 시뮬레이션 요구 조건을 규명하기 위해.
• 관측 결과와의 비교 및 모델 검증을 위한 포괄적이고 공개 가능한 합성 데이터 세트를 제공하기 위해.
• 행성계 형성과 진화의 표준 모델 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• 각 원형행성디스크당 1, 10, 20, 50, 100개의 달질량 임베디드체를 가진 다섯 개의 행성 인구를 시뮬레이션한다.
• 1000만 년 동안 전체 N체 및 디스크-행성 상호작용 시뮬레이션을 수행하기 위해 세대 III 버른 모델을 사용한다.
• 디스크 질량, 금속성 농도, 소행성 표면 밀도의 대표적인 초기 분포를 적용한다.
• 행성의 다수성, 궤도 분포, 질량 함수, 금속성 농도 의존성 등의 통계적 결과를 분석한다.
• 다양한 임베디드체 인구 간 결과를 비교하여 수렴성과 초기 조건에 대한 민감도를 평가한다.
• 비표준 시뮬레이션 두 가지를 수행한다: 기체 이동 없이 현지에서 형성된 경우와 더 급격한 초기 소행성 표면 밀도를 가진 경우.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 거대행성에 대해 초기 임베디드체 수에 따라 행성 인구가 수렴하는가?
• RQ2 관측된 행성 인구 특성을 재현하기 위해 필요한 최소한의 임베디드체 수는 얼마인가?
• RQ3 역학적 상호작용과 이동이 행성계의 최종 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 별의 금속성 농도에 따라 행성 질량 함수와 발생률은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이동성과 초기 소행성 밀도 등의 모델 가정이 인구 결과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 100개의 임베디드체를 가진 평균 행성계는 1 M⊕을 초과하는 8개의 행성을 포함하며, 18%는 거대행성을 포함하고 1.6%는 10 au 이외의 궤도에 거대행성을 포함한다.
• 행성 질량 함수는 5에서 50 M⊕ 사이에서는 M−2의 형태를 따르며, 낮은 질량과 높은 질량에서는 약간의 M−1 형태를 따르는 경향이 있다.
• 지구형 및 수퍼지구 행성의 빈도는 각각 [Fe/H] = -0.2와 0.0에서 최고에 이르며, 저금속성에서는 빌딩 블록 부족과 고금속성에서는 역학적 붕괴로 인해 발생한다.
• 거대행성 발생률은 [Fe/H] 증가와 함께 단조롭게 증가하며, 관측 결과와 일치한다.
• 다수의 저질량 내부 행성들이 존재하는 다임베디드체 시스템에서는 5~50 M⊕ 범위의 빠른 이동이 감소한다.
• 10개 이상의 임베디드체를 가진 인구에서 10 M⊕ 이상의 행성 결과는 안정적이며, 기체 응축과 거대행성 비율 연구에 자원 효율적인 시뮬레이션을 가능하게 한다.