[論文レビュー] Terrestrial-type planet formation: Comparing different types of initial conditions

María Paula Ronco, G. C. de Elía+1 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Sep 24, 2015

Astro and Planetary Science参考文献 53被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、原始惑星系円盤のガス相における時間発展を半解析的にモデル化した初期条件と、便宜的な初期条件を用いたN体シミュレーションを、類星天体の形成に比較している。結果として、両者の設定においても、生命的領域内の惑星の数や質量は類似しているが、水を多く含む物質の吸着歴—特に水を多く含む物質の吸着歴—は顕著に異なることが判明した。現実的な初期条件は、地球型惑星への揮発性物質の起源と供給に影響を与える。

ABSTRACT

To study the terrestrial-type planet formation during the post oligarchic growth, the initial distributions of planetary embryos and planetesimals used in N-body simulations play an important role. Most of these studies typically use ad hoc initial distributions based on theoretical and numerical studies. We analyze the formation of planetary systems without gas giants around solar-type stars focusing on the sensitivity of the results to the particular initial distributions of planetesimals and embryos. The formation of terrestrial planets in the habitable zone (HZ) and their final water contents are topics of interest. We developed two different sets of N-body simulations from the same protoplanetary disk. The first set assumes ad hoc initial distributions for embryos and planetesimals and the second set obtains these distributions from the results of a semi-analytical model which simulates the evolution of the gaseous phase of the disk. Both sets form planets in the HZ. Ad hoc initial conditions form planets in the HZ with masses from $0.66M_{\oplus}$ to $2.27M_{\oplus}$. More realistic initial conditions obtained from a semi-analytical model, form planets with masses between $1.18M_{\oplus}$ and $2.21M_{\oplus}$. Both sets form planets in the HZ with water contents between 4.5% and 39.48% by mass. Those planets with the highest water contents respect to those with the lowest, present differences regarding the sources of water supply. We suggest that the number of planets in the HZ is not sensitive to the particular initial distribution of embryos and planetesimals and thus, the results are globally similar between both sets. However, the main differences are associated to the accretion history of the planets in the HZ. These discrepancies have a direct impact in the accretion of water-rich material and in the physical characteristics of the resulting planets.

研究の動機と目的

• 初期段階の微惑星と原始惑星の初期条件の選択が、地球型惑星形成の結果に与える感受性を評価すること。
• 異なる初期分布が、生命可能領域（HZ）内の惑星の最終的質量と水含量に与える影響を調査すること。
• 原始惑星系円盤の時間発展モデルから導かれた現実的な初期条件が、便宜的な設定と比較して、顕著に異なる惑星系構造を生じるかどうかを特定すること。
• 水を多く含む物質の吸着歴と、特に地球型惑星の組成に与える影響を分析すること。
• 異なる初期条件のもとで、水の供給に寄与する原始惑星と微惑星の役割を評価すること。

提案手法

• 同じ初期原始惑星系円盤構成から出発する2つのN体シミュレーションセットを実施する。
• 最初のセットでは、先行研究（例：Ronco & de Elía 2014）に基づく便宜的な初期分布を用いる。
• 2番目のセットでは、ガス相における円盤時間発展を模擬する半解析的モデルから初期条件を導出する。このモデルには、固体の径方向移動と集中も含まれる。
• シミュレーションでは完全非弾性衝突を仮定し、質量と水含量を保存する。また、タイプI型移動や微惑星の破壊は無視する。
• 水の供給のタイミングと源を含む吸着歴を追跡し、最終的な惑星質量と水含量を分析する。
• 標準的な円盤モデル（1 M⊙の恒星と低質量円盤）を用い、ガス惑星を含まないシステムに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 便宜的初期条件と半解析的に導かれた初期条件の選択が、生命可能領域内に形成される地球型惑星の数や質量にどのように影響するか？
• RQ2 異なる初期分布を用いたシミュレーションにおいて、水を多く含む物質の吸着歴にどのような差が生じるか？
• RQ3 現実的な初期条件のもとで、水の供給に寄与する主な集団は、原始惑星か微惑星か？
• RQ4 原始惑星と微惑星の空間的分布が、HZ惑星の最終的な水含量および物理的特性にどのように影響するか？
• RQ5 初期条件モデルの違いによって、水の供給のタイミング（初期段階 vs. 後期段階）はどの程度変化するか？

主な発見

• 生命可能領域に形成される惑星の数は、初期条件の選択に敏感ではなく、両設定とも生命可能領域に惑星が形成された。
• 便宜的設定では、HZ惑星の質量は0.66 M⊕から2.27 M⊕の範囲にあり、現実的な初期条件設定では1.18 M⊕から2.21 M⊕の範囲にあった。
• HZ惑星の水含量は質量比で4.5%から39.48%の範囲にあり、最も水を多く含む惑星では、初期条件に応じて顕著に異なる吸着歴を示した。
• 便宜的設定では、水を多く含む惑星の水の主な供給源は原始惑星であったが、現実的な設定では、3つの水を多く含む惑星のうち2つでは、原始惑星と微惑星が等しく寄与した。
• 両設定とも、地球型惑星はほとんど移動を経ずに局所的に形成され、最終的な水含量は微惑星に大きく依存していた。特に、クラス-W微惑星の半数が最終質量の75%に達した後に吸着された。
• 水の供給は後期のプロセスであり、90 Myrを過ぎてもクラス-W微惑星の継続的吸着が見られた。これは、表面に揮発性物質が保持されることを支持する。