[論文レビュー] The effect of late giant collisions on the atmospheres of protoplanets and the formation of cold sub-Saturns

Mohamad Ali-Dib, A. Cumming+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 85被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、冷却されたコアから発生する熱的駆動の超Eddington風によって、臨界質量未満の原始惑星同士の巨大衝突が、ガス圏を剥ぎ取ることで、ランウェイ的吸収を防ぎ、質量の大きなコア（約30 M⊕）と低質量のガス圏（数 M⊕）を持つ冷たい準土星（CSS）の形成をもたらすメカニズムを提案する。このプロセスは円盤の散逸期に発生し、急速な円盤の枯渇によりガス惑星にまで成長しないため、理論的予測に比べて観測で見られるCSSの過剰な存在が説明できる。

ABSTRACT

We investigate the origins of cold sub-Saturns (CSS), an exoplanetary population inferred from microlensing surveys. If confirmed, these planets would rebut a theorised gap in planets' mass distribution between those of Neptune and Jupiter caused by the rapid runaway accretion of super-critical cores. In an attempt to resolve this theoretical-observational disparity, we examine the outcomes of giant collisions between sub-critical protoplanets. Due to the secular interaction among protoplanets, these events may occur in rapidly depleting discs. We show that impactors ~ 5% the mass of near-runaway envelopes around massive cores can efficiently remove these envelopes entirely via a thermally-driven super-Eddington wind emanating from the core itself, in contrast with the stellar Parker winds usually considered. After a brief cooling phase, the merged cores resume accretion. But, the evolution timescale of transitional discs is too brief for the cores to acquire sufficiently massive envelopes to undergo runaway accretion despite their large combined masses. Consequently, these events lead to the emergence of CSS without their transformation into gas giants. We show that these results are robust for a wide range of disc densities, grain opacities and silicate abundance in the envelope. Our fiducial case reproduces CSS with heavy (>= 30 M_Earth) cores and less massive (a few M_Earth) sub-critical envelopes. We also investigate the other limiting cases, where continuous mergers of comparable-mass cores yield CSS with wider ranges of core-to-envelope mass ratios and envelope opacities. Our results indicate that it is possible for CSS and Uranus and Neptune to emerge within the framework of well studied processes and they may be more common than previously postulated.

研究の動機と目的

• 微小重力レンズ調査から得られる冷たい準土星（CSS）の観測頻度と、中程度質量惑星の理論的「砂漠」予測との間にある理論的・観測的乖離を解消すること。
• 円盤散逸期における巨大衝突が、コアのランウェイ的吸収を防ぎ、CSSの形成に至るかどうかを調査すること。
• コア加熱、ガス圏剥ぎ取り、円盤枯渇が、最終的なCSSの質量および構造に与える影響を検討すること。
• 巨大衝突が、30 M⊕以上のコア質量および臨界的でないガス圏を持つ惑星を生成する条件を特定すること。
• このメカニズムが、さまざまな円盤密度、微粒子の不透明度、ケイ酸塩含有量の変動に対しても頑健であるかどうかを評価すること。

提案手法

• コア加熱によって駆動される超Eddington風による質量損失を模擬する簡略化された熱的風フレームワークを用いて、衝突後のガス圏の進化をモデル化する。
• 衝突によるエネルギー散逸をシミュレートし、コアの温度上昇と放射輝度の増加を推定する。
• 衝撃波の伝播とその後の熱的風噴出を追跡し、エネルギー移動効率に注目してガス圏の質量損失を追跡する。
• コア質量（15–30 M⊕）、円盤ガス密度（10−14 から 10−11 g/cm³）、微粒子不透明度（0.00–1.50 × 10−2）、金属量（太陽系/太陽系未満）を変化させた初期条件を変動させる。
• 円盤の流れによるガス圏の再循環を伴う「乾燥」および「湿潤」状態の両方を考慮し、再吸収への影響を評価する。
• 標準的な形成仮定の下で結果を人口合成モデル（例：Ida & Lin 2004）と比較し、妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界に近いコアを持つ原始惑星から、巨大衝突によってガス圏が効率的に剥ぎ取られ、ランウェイ的吸収が防がれるか？
• RQ2 高速衝突に続くコア駆動の超Eddington風が、ガス圏の噴出に果たす役割は何か？
• RQ3 移行段階における円盤の急速な枯渇は、衝突後のガス圏再吸収にどのように影響するか？
• RQ4 円盤密度、微粒子不透明度、ケイ酸塩含有量の変動が、最終的な惑星の質量および構造に与える影響はどの程度か？
• RQ5 このメカニズムにより、30 M⊕以上のコア質量および10 M⊕未満のガス圏質量を持つ冷たい準土星が生成可能か？また、微小重力レンズ観測と整合的か？

主な発見

• 0.5–1.5 M⊕の衝突体による巨大衝突は、コア駆動の超Eddington風によって、20–30 M⊕の原始惑星のガス圏を完全に剥ぎ取ることができ、ランウェイ的吸収を防ぐ。
• ガス圏剥ぎ取りは2段階に分けられる：初期段階で衝撃波による除去、その後にコア加熱によって駆動される熱的風による噴出。この際、放射輝度はEddington限界を超える。
• 衝突後のコア冷却および再吸収は、移行円盤寿命（約10⁵ yr）と比べて数個のオーダー短い時間スケールで発生するため、ガス圏の成長が制限される。
• 10⁻¹⁴–10⁻¹¹ g/cm³の広い円盤密度範囲、0.00–1.50 × 10⁻²の微粒子不透明度、さまざまなケイ酸塩含有量において、最終的なガス圏質量は臨界的でなく、30 M⊕以上のコア質量と数 M⊕程度のガス圏質量を持つ冷たい準土星が得られる。
• 円盤の流れによるガス圏再循環は再吸収ガス質量をわずかに減少させるが、臨界的でないガス圏成長という根本的結果に変化はない。
• このメカニズムは、微小重力レンズ統計と整合的であり、理論的予測の「惑星の砂漠」と比較して観測されるCSSの過剰な存在を説明できる。