[논문 리뷰] Concerning thermal tides on hot Jupiters

Jeremy Goodman|ArXiv.org|2009. 01. 21.

Astro and Planetary Science참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열 tidal 이론이 핫 조플리터의 비동기적 자전 또는 이심 궤도를 유도할 수 있다는 가설을 도전하며, 표면이 없는 기체 행성에서는 중력 tidal 과 열 tidal 간의 결합이 수압평형과 등압평형 보상으로 인해 제1차로 소멸된다고 주장한다. 이는 열 tidal 이 제2차 모멘트 효과로 인해 동기적 자전과 원형 궤도를 강화할 가능성이 높다는 결론을 이끌어낸다. 이는 Arras & Socrates (2009) 가 제안한 토크와 반대되는 것이다.

ABSTRACT

By analogy with a mechanism proposed by Gold and Soter to explain the retrograde rotation of Venus, Arras and Socrates suggest that thermal tides may excite hot jovian exoplanets into nonsynchronous rotation, and perhaps also noncircular orbits. It is shown here that because of the absence of a solid surface above the convective core of a jovian planet, the coupling of the gravitational and thermal tides vanishes to zeroth order in the ratio of the atmospheric scale height to the planetary radius. At the next order, the effect probably has the sign opposite to that claimed by the latter authors, hence reinforcing synchronous and circular orbits.

연구 동기 및 목표

• Arras & Socrates (2009) 가 제안한 바와 같이 핫 조플리터에서 열 tidal 이 비동기적 자전 또는 비원형 궤도를 유도할 수 있는지 평가하기 위해.
• 기체 행성에서 수압평형과 질량 재분포의 역할이 열 tidal 반응에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 대기 중 열 tidal 이 기여하는 순 토크와 그 행성의 자전 및 궤도 진화에 대한 함의를 평가하기 위해.
• 목성형 행성에서 탄성 강도가 부재함으로써 비엔나의 역행 자전에 대한 메커니즘이 무효화되는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• 수압평형과 등압평형 보상 원리를 사용하여 대류가 일어나는 기체 행성에서 중력 tidal 과 열 tidal 간의 결합을 분석한다.
• 파스칼의 원리와 아르키메데스의 원리를 적용하여 대기 기둥 밀도 변화가 대류 층에서 질량 재분포에 의해 어떻게 보상되는지 모델링한다.
• 열 tidal 의 순 질량 이중극 모멘트를 평가하여, H/R (스케일 높이 대 반지름 비율) 에 대해 제0차로 0이 됨을 보여준다.
• 제2차 효과를 고려할 때, 이중극 모멘트는 가장 뜨겁고 가장 팽창된 영역과 일치하여 Arras & Socrates 가 주장한 것과 반대 방향의 토크를 유도한다.
• 이심 궤도에서 열 tidal 의 위상 지연을 평가하고 궤도 원형화에 미치는 영향을 분석한다.
• 차원 분석과 주요 순서 추정을 사용하여, 유체적 반응이 운동적 시간 스케일에서 기체 거대행성에서 제안된 토크가 억제됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비엔나의 유사 메커니즘에 기반해 열 tidal 이 핫 조플리터에서 비동기적 자전을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 기체 행성에서 고체 표면이 없을 경우 중력 tidal 과 열 tidal 간의 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수압평형과 등압평형 보상이 고려된 상태에서 대기 중 열 tidal 이 기여하는 순 토크는 무엇인가?
• RQ4 열 tidal 의 이중극 모멘트가 비동기적 자전을 강화하는지 아니면 반대하는지를 어떻게 평가할 수 있는가?
• RQ5 열 tidal 이 핫 조플리터의 이심 궤도를 어느 정도 원형 궤도로 만드는가?

주요 결과

• 기체 내부의 수압평형과 등압평형 보상으로 인해 중력 tidal 과 열 tidal 간의 결합은 H/R 에 대해 제0차로 소멸된다.
• 열 tidal 의 순 질량 이중극 모멘트는 제1차로 억제되어 대기 중에 미치는 토크는 극히 작게 된다.
• 다음 차수에서는 이중극 모멘트가 가장 뜨겁고 팽창한 영역과 일치하여 비동기적 자전을 반대 방향으로 향한 토크를 유도한다.
• 이 제2차 토크는 비동기적 자전을 강화하는 작용을 하여 Arras & Socrates 가 제안한 영향을 상쇄한다.
• 이심 궤도에서 열 tidal 의 위상 지연은 궤도 원형화에 대해 제2차로만 영향을 미치며, 궤도를 원형화하는 경향이 있다.
• 비엔나의 역행 자전에 대한 제안된 메커니즘은 목성형 행성에 적용될 수 없다. 이는 탄성 강도 부재와 내부의 유체적 반응으로 인해 그렇다.