[論文レビュー] The Nature of the Radius Valley: Hints from Formation and Evolution Models

J. Venturini, O. M. Guilera+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 71被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、ケプラー系外惑星の二峰性半径分布（いわゆる「半径の谷」）が、水の氷線におけるダスト性質の転移に起因する自然な惑星形成過程から生じることを提案している。ペブル降着、移動、光球蒸発を含む自己整合的な形成モデルを用いて、岩石核は約3 M⊕（5 M⊕未満）にピークを示し、氷核は約10 M⊕にピークを示すことが示された。これにより二つのサイズピークが説明される。半径の谷は、質量の大きなヘリウム・水素大気の光球蒸発による剥ぎ取りによって形成され、乾燥した岩石惑星と水を多く含む低質量惑星が分離する。

ABSTRACT

The existence of a Radius Valley in the Kepler size distribution stands as one of the most important observational constraints to understand the origin and composition of exoplanets with radii between that of Earth and Neptune. The goal of this work is to provide insights into the existence of the Radius Valley from, first, a pure formation point of view, and second, a combined formation-evolution model. We run global planet formation simulations including the evolution of dust by coagulation, drift and fragmentation; and the evolution of the gaseous disc by viscous accretion and photoevaporation. A planet grows from a moon-mass embryo by either silicate or icy pebble accretion, depending on its position with respect to the water ice line. We account for gas accretion and type-I/II migration. We perform an extensive parameter study evaluating a wide range in disc properties and embryo's initial location. We account for photoevaporation driven mass-loss after formation. We find that due to the change in dust properties at the water ice line, rocky cores form typically with $\sim$3 M$_{\oplus}$ and have a maximum mass of $\sim$5 M$_{\oplus}$, while icy cores peak at $\sim$10 $M_{\oplus}$, with masses lower than 5 M$_{\oplus}$ being scarce. When neglecting the gaseous envelope, rocky and icy cores account naturally for the two peaks of the Kepler size distribution. The presence of massive envelopes for cores more massive than $\sim$10 M$_{\oplus}$ inflates the radii of those planets above 4 R$_{\oplus}$. While the first peak of the Kepler size distribution is undoubtedly populated by bare rocky cores, the second peak can host water-rich planets with thin H-He atmospheres. Some envelope-loss mechanism should operate efficiently at short orbital periods to explain the presence of $\sim$10-40 M$_{\oplus}$ planets falling in the second peak of the size distribution.

研究の動機と目的

• ケプラー系外惑星における二峰性半径分布（半径の谷）の起源を理解すること。
• 形成過程のみで観測された質量および半径ピークを説明できるかどうかを特定すること。
• ガス大気と光球蒸発が観測されたサイズ分布をどのように形作るかを評価すること。
• 第二ピークが水を多く含む惑星を含むのか、それともガス降着を抑制する追加のメカニズムを要するのかを評価すること。

提案手法

• 氷線での氷の昇華を含む、自己整合的なダスト進化（凝集、破壊、移動）を用いた惑星形成のシミュレーション。
• 中心星からの粘性降着およびX線光球蒸発を用いたガス円盤の進化モデル。
• 月質量の原始惑星からペブルおよびガス降着による成長を追跡し、移動（タイプI/II）および形成後の大気質量損失を含む。
• 円盤の性質および初期の原始惑星位置の広範なパラメータスタディを実施し、形成結果を探索。
• 光球蒸発による大気質量損失を計算し、半径の谷の形成におけるその役割を評価。
• 円盤消散後の巨大衝突が最終的な質量-半径関係および二峰性に与える影響をテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケプラー系外惑星の観測された二峰性半径分布は、氷線におけるコア形成の本質的差異によって説明可能か？
• RQ2 光球蒸発は半径の谷を形成する役割を果たすのか？自然に乾燥した惑星と湿った惑星を分離するのか？
• RQ3 第二ピーク（2.7 R⊕）の惑星が10–40 M⊕の質量を示すのは、水を多く含むコアであるにもかかわらず、なぜそのようなコアが半径の谷に落ち込まないのか？
• RQ4 観測された質量が大きく半径が小さい惑星の集団を説明するには、ガス降着を抑制するか、大気損失を強化するようなメカニズムが何であるか？
• RQ5 円盤消散後の巨大衝突は、最終的な質量-半径分布およびケプラーの二峰性回復にどのように影響するか？

主な発見

• 氷線内に形成された岩石核は約3 M⊕にピークを示し、氷線でのダスト性質の変化により5 M⊕をはるかに超えることはめったになく、稀である。
• 氷線外に形成された氷核は約10 M⊕にピークを示し、質量分布は広く、5 M⊕未満の出現頻度は低い。
• ガス大気を無視した場合、形成された岩石核および氷核は自然にケプラーのサイズ分布における二つのピークを再現する。
• 光球蒸発だけでは半径の谷を形成できるが、その前提としてコアが乾燥しているか水を多く含む状態でなければならない。混合状態では成立しない。
• 円盤消散後の巨大衝突を組み込むことで、観測された系外惑星の質量-半径関係との一致が著しく向上し、ケプラーの二峰性が回復される。
• 第二ピークに観測される10–40 M⊕の惑星集団は、追加のメカニズム（例えばペブルと小惑星のハイブリッド降着、または強化された大気損失）を要する可能性が高く、それによって低ガス大気質量が説明できる。