[論文レビュー] In situ formation of super-Earth/sub-Neptune driven by the planetary rotation

Wei Zhong, Cong Yu|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 66被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、惑星の自転が、対流領域および放射領域における放射エネルギー密度の低減によって、形成中のスーパーターティア/サブネプチューンの冷却および収縮を遅らせるメカニズムを提案している。これにより、放射対流境界（RCB）がより深くまで浸透し、冷却光度が低下し、進化 timescale がディスク寿命（10 Myr）を超えるようになる。その結果、中程度のコア質量でも、ほこりを含む大気が存在する場合にはさらに促進され、スーパーターティア/サブネプチューンの形成が可能になる。

ABSTRACT

Kepler's observation shows that many of the detected planets are super-Earths. They are inside a range of critical masses overlapping the core masses (2-20 $M_{\bigoplus}$), which would trigger the runaway accretion and develop the gas giants. Thus, super-Earths/sub-Neptunes can be formed by restraining runaway growth of gaseous envelopes. We assess the effect of planetary rotation in delaying the mass growth. The centrifugal force, induced by spin, will offset a part of the gravitational force and deform the planet. Tracking the change in structure, we find that the temperature at the radiative-convective boundary (RCB) is approximate to the boundary temperature. Since rotation reduces the radiation energy densities in the convective and radiative layers, RCB will penetrate deeper. The cooling luminosity would decrease. Under this condition, the evolutionary timescale can exceed the disk lifetime (10 Myr), and a super-Earth/sub-Neptune could be formed after undergoing additional mass loss processes. In the dusty atmosphere, even a lower angular velocity can also promote a super-Earth/sub-Neptune forming. Therefore, we conclude that rotation can slow down the planet's cooling and then promote a super-Earth/sub-Neptune forming.

研究の動機と目的

• 惑星の自転がスーパーターティア/サブネプチューンの形成 timescale に与える影響を調査すること。
• 自転が熱的および構造的進化を変化させることで、ランウェイ的ガス降着を遅らせることができるかどうかを特定すること。
• 自転が放射対流境界（RCB）を深くする役割と冷却光度の低減に与える影響を評価すること。
• 自転とほこりの不透明度の併用効果が、スーパーターティア/サブネプチューン形成を促進するメカニズムを探索すること。

提案手法

• 遠心力による歪みを考慮した2次元の回転楕円体近似を用いて、回転する惑星の静水圧平衡をモデル化すること。
• 自転に起因する歪みが重力ポテンシャルおよび温度勾配に与える影響を計算すること。
• さまざまな角速度の下での放射対流境界（RCB）の浸透深さを追跡すること。
• 対流領域および放射領域における放射エネルギー密度の低下に起因する冷却光度およびケルビン＝ヘルムホルツ（KH）timescale の短縮を評価すること。
• 大気中にほこりの不透明度を組み込み、自転とその相乗効果が進化 timescale をどの程度延長できるかを評価すること。
• 惑星の破壊を避けるために、角速度を ω < ωcrit の範囲で自由パrameterとしてパラメータライズすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星の自転は、形成中のスーパーターティア/サブネプチューンにおける放射対流境界（RCB）の深さにどのように影響するか？
• RQ2 自転は冷却光度をどの程度低減させ、10 Myrを超える進化 timescale を延長できるか？
• RQ3 自転が単独で、またはほこりの不透明度と併用して、ランウェイ的ガス降着を遅らせ、スーパーターティア/サブネプチューンの形成を可能にするか？
• RQ4 自転は進化中の原始惑星における重力ポテンシャルおよび静水圧平衡にどのように影響するか？
• RQ5 角速度はコア質量成長および大気圏収縮の timescale をどのように制御するか？

主な発見

• 自転により、対流領域および放射領域における放射エネルギー密度が低下し、放射対流境界（RCB）が惑星内部により深くまで浸透する。
• RCB における温度が境界温度とほぼ等しくなる（TRCB ∼ Td）ことから、自転に起因する熱的平衡のシフトが示唆される。
• RCB の深さの増加に起因し、冷却光度が低下し、惑星の収縮が遅れ、進化 timescale が延長される。
• 進化 timescale が10 Myr（一般的なディスク寿命）を超える場合、通常はランウェイ的ガス降着を引き起こすと予想される中程度のコア質量でも、スーパーターティア/サブネプチューンの形成が可能になる。
• ほこりを含む大気中では、わずかに低い角速度でも進化 timescale が顕著に延長され、スーパーターティア/サブネプチューンの形成確率が向上する。
• 自転により放射領域のサイズが拡大し、流体の乱流および渦度を誘発する可能性があり、エネルギー輸送および惑星構造にさらなる影響を与える。