[논문 리뷰] The New Generation Planetary Population Synthesis (NGPPS) I. Bern global model of planet formation and evolution, model tests, and emerging planetary systems

Alexandre Emsenhuber, C. Mordasini외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Astro and Planetary Science참고 문헌 9인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 기체 디스크의 진화, 행성형성체 역학, 핵 수축, N체 상호작용, 장기적인 행성 진화를 통합한 종합적인 엔드 투 엔드 시뮬레이션인 제3세대 버른 행성 형성 모델(NGPPS)을 제시한다. 이 모델은 태양계의 핵심적 특징을 성공적으로 재현하며, 특히 지구형 행성의 거대 충돌 단계와 기체 디스크의 붕괴 직전에 목성 유사 행성이 형성되어 내부 이동을 피하는 방식을 재현한다.

ABSTRACT

Aims. Comparing theoretical models with observations allows one to make key step forward towards an understanding of planetary systems. It however requires a model able to (i) predict all the necessary observable quantities (not only masses and orbits, but also radii, luminosities, magnitudes, or evaporation rates) and (ii) address the large range in relevant planetary masses (from Mars mass to super-Jupiters) and distances (from stellar-grazing to wide orbits). Methods. We have developed a combined global end-to-end planetary formation and evolution model, the Generation III Bern model, based on the core accretion paradigm. This model solves as directly as possible the underlying differential equations for the structure and evolution of the gas disc, the dynamical state of the planetesimals, the internal structure of the planets yielding their planetesimal and gas accretion rates, disc-driven orbital migration, and the gravitational interaction of concurrently forming planets via a full N-body calculation. Importantly, the model also follows the long-term evolution of the planets on Gigayear timescales after formation including the effects of cooling and contraction, atmospheric escape, bloating, and stellar tides. Results. To test the model, we compared it with classical scenarios of Solar System formation. For the terrestrial planets, we find that we obtain a giant impact phase provided enough embryos (~100) are initially emplaced in the disc. For the giant planets, we find that Jupiter-mass planets must accrete their core shortly before the dispersal of the gas disc to prevent strong inward migration that would bring them to the inner edge of the disc. Conclusions. The model can form planetary systems with a wide range of properties. We find that systems with only terrestrial planets are often well-ordered while giant-planet bearing systems show no such similarity.

연구 동기 및 목표

• 다양한 관측 가능한 행성적 특성(질량, 궤도, 반지름, 발광도, 증발 속도 등)을 예측할 수 있는 통합 모델을 개발하기 위해.
• 지구형 행성과 기체 거대행성까지 광범위한 질량 범위(Mars에서 초목성까지)와 궤도 거리(근접 궤도에서 넓은 궤도까지)를 포함한 행성계를 시뮬레이션하기 위해.
• 이전 모델의 한계를 보완하기 위해 냉각, 수축, 대기 탈출, tidal 효과 등을 포함한 장기적 진화 과정을 통합하기 위해.
• 모델의 예측 능력을 시험하기 위해 기존의 태양계 형성 시나리오와 비교 분석하기 위해.

제안 방법

• 모델은 핵 수축 이론에 기반하며 기체 디스크의 구조와 진화를 기술하는 기본 미분 방정식을 해결한다.
• 행성형성체의 역학과 내부 행성의 구조를 추적하여 직접적으로 행성형성체와 기체의 수축률을 계산한다.
• 궤도 이동은 디스크 유도 이동력에 기반하며, 형성 중인 행성 간의 중력 상호작용을 고려하기 위해 완전한 N체 계산을 수행한다.
• 형성 이후 장기적 진화 과정을 포함하여 행성 냉각, 수축, 대기 탈출, 팽창, 항성 tidal 효과를 기간 수십억 년에 걸쳐 모델링한다.
• 초기 조건으로 지구형 영역에 약 100개의 행성형성체를 포함하여 거대 충돌 결과를 테스트한다.
• 모델은 시뮬레이션 결과를 알려진 태양계의 특성과 비교하여 검증되며, 특히 지구형 행성과 거대행성의 경우에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일의 자기 일관성 있는 모델이 관측된 태양계의 궤도 구조와 일치하는 방식으로 지구형 행성과 거대행성의 형성을 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ2 지구형 행성 영역에서 거대 충돌 단계가 발생하기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ3 핵 형성의 시기가 기체 거대행성의 내부 이동에 의한 소실을 방지하는 데 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 디스크 붕괴 시점이 질량이 큰 행성의 최종 궤도 구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대기 탈출과 tidal 힘과 같은 장기적 진화 과정이 행성계의 안정성과 관측 가능한 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 약 100개의 행성형성체가 원반에 초기에 배치될 경우, 지구형 행성 영역에서 거대 충돌 단계를 성공적으로 재현한다.
• 목성 질량의 행성은 기체 디스크의 붕괴 직전에 핵을 수축시켜 강한 내부 이동을 피해야 하며, 그렇지 않으면 궤도가 붕괴하고 디스크 내부 가장자리에서 소실된다.
• 지구형 행성만으로 이루어진 시스템은 잘 질서 정돈되어 있는 반면, 거대행성을 포함한 시스템은 그러한 질서가 없어지며, 이는 서로 다른 형성 경로를 시사한다.
• 모델은 반지름, 발광도, 등급, 증발 속도에 이르기까지 관측 가능한 모든 행성적 특성을 포괄하여 관측 결과와 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 냉각, 수축, 대기 탈출, tidal 효과를 포함한 장기적 진화 과정의 통합은 수십억 년에 걸친 현실적인 형성 후 진화를 가능하게 한다.
• 모델은 행성계의 궤도 구조가 핵 형성 시기, 디스크 붕괴 시점, 그리고 형성 기간 동안의 중력 상호작용 간의 상호작용에 의해 강하게 영향을 받는다는 것을 입증한다.