[논문 리뷰] Connecting planet formation and astrochemistry: C/O and N/O of warm giant planets and Jupiter-analogs

A. Cridland, E. F. van Dishoeck외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 07.

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한 줄 요약

이 연구는 원반성행성 원반의 화학적 진화를 모델링하여 온기 있는 거성행성(0.5–4 AU)의 C/O 및 N/O 비율을 예측한다. 그 결과, 절연된 화학 조성의 불일치로 인해 목성은 수십 AU 이상의 거리에서 형성되었을 가능성이 높다. 모델은 고체 형성과 대기 중 C/O 간의 주요 시퀀스를 확인하며, 고금속도 원반은 더 큰 화학적 산란을 유도함을 보여주며, 탄소 고착성 침식 front의 위치가 행성 대기의 형성에 결정적인 역할을 한다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

(Abridged) The chemical composition of planetary atmospheres has long been thought to store information regarding where and when a planet accretes its material. Predicting this chemical composition theoretically is a crucial step in linking observational studies to the underlying physics that govern planet formation. As a follow-up to a study of hot Jupiters in our previous work, we present a population of warm Jupiters (semi-major axis between 0.5-4 AU) extracted from the same planetesimal formation population synthesis model as used in our previous work. We compute the astrochemical evolution of the protoplanetary disks included in this population to predict the carbon-to-oxygen (C/O) and nitrogen-to-oxygen (N/O) ratio evolution of the disk gas, ice, and refractory sources, the accretion of which greatly impacts the resulting C/O and N/O in the atmosphere of giant planets. We confirm that the main sequence (between accreted solid mass and atmospheric C/O) we found previously is largely reproduced by the presented population of synthetic warm Jupiters. And as a result, the majority of the population fall along the empirically derived mass-metallicity relation when the natal disk has solar or lower metallicity. Planets forming from disks with high metallicity ([Fe/H] $>$ 0.1) result in more scatter in chemical properties which could explain some of the scatter found in the mass-metallicity relation. Combining predicted C/O and N/O ratios shows that Jupiter does not fall among our population of synthetic planets, suggesting that it likely did not form in the inner 5 AU of the solar system before proceeding into a Grand Tack. This result is consistent with recent analysis of the chemical composition of Jupiter's atmosphere which suggests that it accreted most of its heavy element abundance farther than tens of AU away from the Sun.

연구 동기 및 목표

• 은하적화학 원반 진화 모델을 사용하여 온기 있는 거성행성(0.5–4 AU)의 C/O 및 N/O 비율을 예측한다.
• 소행성체 축적을 통한 내원반(5 AU 이내)에서의 형성과 목성의 관측된 대기 조성 간의 일치 여부를 시험한다.
• 탄소 고착성 침식 front의 변화가 행성 대기 화학에 미치는 영향을 조사한다.
• 원반 금속도가 관측된 질량-금속도 및 C/O 관계의 산란에 미치는 영향을 평가한다.
• 향후 JWST 및 ARIEL과 같은 망원경을 통해 온기 있는 목성의 화학적 특성 분석 가능성 탐색

제안 방법

• 0.5–4 AU 사이의 태양계 외부 행성 형성에 적합한 인공적 온기 목성의 집단 합성 모델을 사용한다.
• 원반 기체, 얼음 및 고착성 성분의 은하화학적 진화를 시뮬레이션하여 시간에 따라 변화하는 C/O 및 N/O 비율을 계산한다.
• 금속도에 따라 달라지는 원반 특성을 반영하여 고체(얼음 및 고착성)의 축적을 추적한다.
• 탄소 고착성 침식 모델 두 가지를 적용하여 탄소 침식 front의 위치가 C/O 비율에 미치는 민감도를 평가한다.
• 예측된 C/O 및 N/O 비율을 목성 및 기타 외계행성(예: WASP-167e)의 관측치와 비교한다.
• 고정된 대기 질량 절단값을 적용하여 고착성 물질의 행성 대기 유입을 결정하지만, 깊은 대기 혼합을 모델링하는 데에는 한계가 있음을 인정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내원반(5 AU 이내)에서 소행성체 축적을 통해 목성의 관측된 C/O 및 N/O 비율을 재현할 수 있는가?
• RQ2 고금속도 원반([Fe/H] > 0.1)은 관측된 질량-금속도 및 C/O 관계의 산란에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 탄소 고착성 침식 front의 이동이 거성행성의 최종 C/O 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 온기 있는 목성은 해왕성형 행성과는 다르게 고착성 축적에 더 민감한가?
• RQ5 궤도 및 관측 제약 조건을 고려할 때, 향후 JWST 또는 ARIEL을 통해 화학적으로 특성화하기에 가장 유망한 외계행성은 무엇인가?

주요 결과

• 인공적 온기 목성은 고체 축적 질량과 대기 중 C/O 비율 간의 관측된 주요 시퀀스를 재현하여 모델 프레임워크의 타당성을 입증한다.
• 목성의 대기 중 C/O 및 N/O 비율은 5 AU 이내에서의 형성으로 예측된 값과 일치하지 않으며, 이는 목성이 수십 AU 이상의 거리에서 형성되었을 가능성이 높다는 것을 시사한다.
• 고금속도 원반([Fe/H] > 0.1)은 C/O 및 N/O 비율의 더 큰 산란을 유도하며, 이는 관측된 질량-금속도 관계의 산란을 설명할 수 있다.
• 탄소 침식 front의 이동은 목성 및 해왕성형 행성의 C/O 비율에 상당한 영향을 미치지만, 탄소와 산소의 축적이 균형을 이루는 온기 있는 토성형 행성에는 더 작은 영향을 미친다.
• N/O 비율의 포함은 목성이 내원반에서 형성되지 않았다는 결론을 강화하며, Öberg & Wordsworth(2019) 및 Bosman 등(2019)의 독립적인 화학 분석 결과와 일치한다.
• 탄소 침식 front 외부에서만 대기를 축적하는 행성은 흔치 않으며, 대부분의 거성행성은 고착성 및 기체 물질의 혼합 기여를 경험한다.