[論文レビュー] Characterization of exoplanets from their formation III: The statistics of planetary luminosities

C. Mordasini, Gabriel-Dominique Marleau+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 187被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、異なる降着加熱効率を伴うコア降着モデルを用いて、形成および進化過程における惑星の全光度の集団合成研究を提示する。巨大惑星に対しては平坦な対数光度分布を予測し、低質量惑星（M ≲ 10–40 M⊕）の出現頻度が高いため、低光度側に急激な上昇が生じると予測される。降着履歴が不明な場合、同じ質量においても形成後の光度は2–3桁の範囲にわたる可能性がある。

ABSTRACT

This paper continues a series in which we predict the main observable characteristics of exoplanets based on their formation. In Paper I we described our global planet formation and evolution model. In Paper II we studied the planetary mass-radius relationship. Here we present an extensive study of the statistics of planetary luminosities during both formation and evolution. Our results can be compared with individual directly imaged (proto)planets as well as statistical results from surveys. We calculated three synthetic planet populations assuming different efficiencies of the accretional heating by gas and planetesimals. We describe the temporal evolution of the planetary mass-luminosity relation. We study the shock and internal luminosity during formation. We predict a statistical version of the post-formation mass versus entropy "tuning fork" diagram. We find high nominal post-formation luminosities for hot and cold gas accretion. Individual formation histories can still lead to a factor of a few spread in the post-formation luminosity at a given mass. However, if the gas and planetesimal accretional heating is unknown, the post-formation luminosity may exhibit a spread of as much as 2-3 orders of magnitude at a fixed mass covering cold, warm, and hot states. As a key result we predict a flat log-luminosity distribution for giant planets, and a steep increase towards lower luminosities due to the higher occurrence rate of low-mass planets. Future surveys may detect this upturn. During formation an estimate of the planet mass may be possible for cold gas accretion if the gas accretion rate can be estimated. Due to the "core-mass effect" planets that underwent cold gas accretion can still have high post-formation entropies. Once the number of directly imaged exoplanets with known ages and luminosities increases, the observed distributions may be compared with our predictions.

研究の動機と目的

• 集団合成手法を用いて、形成および進化過程における惑星光度の統計的分布をモデル化すること。
• ガスおよび微惑星からの降着加熱が、惑星質量に応じた形成後光度およびその変動に与える影響を評価すること。
• コア質量および降着履歴が、特に寒冷ガス降着対比熱的ガス降着の文脈において、惑星のエントロピーおよび光度を決定する役割を調査すること。
• 重水素燃焼を含めることで質量-半径関係を更新し、予測された光度分布を直接撮像調査と比較すること。
• 年齢や降着率の情報がない状況下で、自己発光する系外惑星の検出可能性と光度からの質量推定にかかる制約を評価すること。

提案手法

• ガスおよび微惑星降着加熱の効率が異なる3つの合成惑星集団をシミュレートした。
• コア降着に基づく惑星形成・進化モデルを用いて、質量-光度関係の時間的変化を追跡した。
• 急加速期と静穏降着期における衝撃光度および内部光度を計算し、その相対的寄与度を評価した。
• 熱的進化モデルに重水素燃焼を組み込み、時間経過に伴う質量-半径関係の精緻化を図った。
• 形成経路を可視化するため、形成後質量対エントロピーの「トーンフォーク図」の統計的バージョンを生成した。
• 3次元流体力学モデルを用いて、微惑星衝突加熱を推定し、エネルギーの沈殿および局所的混合効果を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガスおよび微惑星からの降着加熱効率が、同じ質量の系外惑星の形成後光度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 形成履歴のばらつきが光度のばらつきを生じる程度はどの程度か。また、異なる降着シナリオにおいてそのばらつきを定量的に評価できるか？
• RQ3 惑星光度の統計的分布はどのようなものか。低質量惑星（M ≲ 10–40 M⊕）の出現頻度の高さにより、低光度側に検出可能な上昇が予測されるか？
• RQ4 コア質量効果は、寒冷ガス降着によって形成された惑星ですら、高い形成後エントロピーおよび光度を達成可能にし、重力不安定性形成といった代替形成メカニズムの必要性を低下させるか？
• RQ5 ガス降着率の不確実性が、直接撮像された系外惑星の光度からの質量推定の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• 同じ降着モード下でも、個々の形成履歴の違いにより、同じ質量の惑星の形成後光度は5～20倍の範囲で変動する。
• 急加速期におけるガス降着率が不明な場合、同じ質量での光度ばらつきは2–3桁に達し、光度からの質量推定の信頼性が著しく制限される。
• 巨大惑星に対しては平坦な対数光度分布が予測され、低質量惑星（M ≲ 10–40 M⊕）の出現頻度の高さにより、低光度側に急激な上昇が生じる。
• コア質量効果により、寒冷ガス降着によって形成された惑星でも高い形成後エントロピーおよび光度を達成可能であり、観測された明るい天体を説明するために重力不安定性形成を仮定する必要はなくなる。
• 重水素燃焼は熱的進化に顕著な影響を与え、特に若く質量の大きな惑星において、時間経過に伴う質量-半径関係の更新に寄与する。
• 今後の直接撮像調査では、予測された低光度惑星出現の上昇を検出可能であり、モデルの統計的光度分布の妥当性を検証する手段が得られる。