[논문 리뷰] The origin of the high metallicity of close-in giant exoplanets: Combined effect of the resonant and aerodynamic shepherding

S. Shibata, Ravit Helled외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 48인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 이주하는 거대 외계행성들이 궤도 공명(중간 운동 공명)과 기체 저항력의 병합 효과를 통해 소행성체를 포획하여 높은 금속성도를 달성할 수 있음을 보여준다. 초기에는 이 힘들에 의해 억제되지만, 공명에서의 증폭된 진동(리바이레이션) 덕분에 소행성체가 탈출하고 수축되어, 행성이 수십 개의 지구질량에 이르는 고체 물질을 포획할 수 있다. 이는 행성이 수십 AU 거리에서 형성되어 내부로 이주했다면 관측된 근접한 기체행성의 높은 금속성도를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

Context.Recent studies suggest that many giant exoplanets are highly enriched with heavy elements compared to their host star andcontain several tens of Earth masses or more of heavy elements. Such enrichment is considered to have been brought by accretionof planetesimals in late formation stages. Previous dynamical simulations, however, show that planets are unable to collect so muchheavy elements throughin situplanetesimal accretion. Aims.We investigate whether a giant planet migrating inward can capture planetesimals efficiently to significantly increase its metal-licity. Methods.We performed orbital integrations of a migrating giant planet and planetesimals in a protoplanetary gas disc to infer theplanetesimal mass that is accreted by the planet. Results.We find that the two shepherding processes of mean motion resonances trapping and aerodynamic gas drag inhibit plan-etesimal capture of a migrating planet. However, the amplified libration allows the highly-excited planetesimals in the resonances toescape from the resonance trap and be accreted by the planet. Consequently, we show that a migrating giant planet captures planetes-imals with total mass of several tens of Earth masses, if the planet forms at a few tens of AU in a relatively massive disc. We alsofind that planetesimal capture occurs efficiently in a limited range of semi-major axis, and that the total captured planetesimal massincreases with increasing migration distances. Our results have important implications for understanding the relation between giantplanet metallicity and mass, as we suggest that it reflects the formation location of the planet, or more precisely, the location whererunaway gas accretion occurred. We also suggest the observed metal-rich close-in Jupiters migrated to their present locations fromafar, where they formed.

연구 동기 및 목표

• 내부로 이주하는 거대 행성이 관측된 높은 금속성도를 설명할 수 있도록 소행성체를 효율적으로 수축시킬 수 있는지 조사하기.
• 이론적 표면형성 수축 한계(~수십 지구질량)와 근접한 기체행성에서 관측된 중량원소 질량(수십 지구질량) 사이의 괴리를 해결하기.
• 중간 운동 공명과 기체 저항력이 소행성체가 수축 영역으로 유입되는 데 미치는 병합적 역할을 조사하기.
• 포획된 소행성체 질량이 행성 질량, 이주 거리, 그리고 초기 형성 위치에 따라 어떻게 달라지는지 결정하기.
• 근접한 목성형 행성의 관측된 금속성도를 이주 역사를 통해 그 형성 위치와 연결하기.

제안 방법

• 점성 있고 축대칭적인 원반 내에서 이주하는 거대 행성과 소행성체의 궤도 통합.
• 기체 저항력 효과를 모의하기 위해 2차원 유체역학 모델을 사용하여 기체 저항력에 의한 소행성체 유도를 시뮬레이션.
• 특히 2:1 및 3:2 중간 운동 공명(MMR)에 의한 소행성체 역학에 영향을 미치는 공명 포획 효과를 통합.
• 공명 통과 및 탈출 메커니즘을 통해 소행성체 질량 유량이 행성의 수축 영역으로 유입되는 것을 추적.
• 행성의 반장경, 질량, 원반 조건에 따라 총 포획된 소행성체 질량을 정량화.
• 공명 진동 진폭이 공명 포획에서 탈출하고 이후 수축을 가능하게 하는 역할을 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이주하는 거대 행성이 관측된 수십 지구질량의 중량원소를 설명할 수 있도록 충분한 소행성체를 포획할 수 있는가?
• RQ2 중간 운동 공명과 기체 저항력이 수축 영역으로의 소행성체 유입에 어떻게 병합적으로 영향을 미치는가?
• RQ3 포획된 소행성체 질량은 행성 질량과 이주 거리에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 이주 동안 소행성체 수축이 어느 반장경 범위에서 가장 효율적인가?
• RQ5 근접한 거대 기체행성의 최종 금속성도는 특히 수십 AU 거리에서 형성된 경우 그 형성 위치를 반영하는가?

주요 결과

• 이주하는 거대 행성은 수십 지구질량에 이르는 소행성체를 포획할 수 있으며, 이는 관측된 근접한 기체행성의 높은 금속성도를 설명하는 데 충분하다.
• 공명 유도는 주로 행성이 약 6 AU에 도달할 무렵까지 주 수축 단계를 연기하여 소행성체의 지속적인 유입을 가능하게 한다.
• 기체 저항력은 행성이 약 1 AU에 도달할 무렵에 소행성체를 수축 영역에서 제거함으로써 수축을 결국 정지시킨다.
• 낮은 질량의 행성(0.7–1.4 M_J)에서는 3:2 중간 운동 공명이 소행성체 유입의 주요 채널이지만, 더 높은 질량의 행성(≥2.8 M_J)에서는 2:1 MMR가 주요 채널이 된다.
• 이주 거리가 길수록 소행성체 포획 효율이 증가하며, 최적의 공명 위치로 인해 중간 질량의 행성에서 최고에 이른다.
• 행성이 수십 AU 거리에서 형성되어 내부로 이주할 경우 총 포획 질량이 최대가 되며, 이는 높은 금속성도가 먼 곳에서의 형성 위치와 연결됨을 시사한다.