[论文解读] A new perspective on interiors of ice-rich planets: Ice-rock mixture rather than a layered structure.

Allona Vazan, Re’em Sari+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用 6

一句话总结

该论文通过证明在高压条件下，冰与岩石因互溶性而广泛混合，从而挑战了富含冰行星的传统分层内部结构模型，表明其内部结构更可能为均质而非分层。利用高压实验数据和热演化模型，研究显示迁移与质量损失影响大气成分，但不影响深层内部混合，超过99%的行星质量在十亿年尺度上保持混合状态。

ABSTRACT

Ice-rich planets formed exterior to the iceline and thus are expected to contain substantial amount of ice (volatiles). The high ice content leads to unique conditions in the interior, under which the structure of a planet may be affected by ice interaction with other metals. We use experimental data of ice-rock interaction at high pressure, and calculate detailed thermal evolution for possible interior configurations of ice-rich planets. We model the effect of migration inward on the ice-rich interior by including the influences of stellar flux and envelope mass loss. We find that rock and ice are expected to remain mixed, due to miscibility at high pressure, in most of the planet interior (>99% in mass) for a wide range of planetary masses. We also find that the deep interior of planetary twins that have migrated to different distances from the star are usually similar, if no mass loss occurs. Significant mass loss results in an interior structure of a mixed ice and rock ball, surrounded by a volatile atmosphere of less than 1% of the planet's mass. In this case, the mass of the atmosphere of water / steam is limited by the ice-rock interaction. We conclude that when ice is abundant in planetary interiors the ice and rock tend to stay mixed for giga-years, and the interior structure differs from the simple layered structure that is usually assumed. This finding could have significant consequences on planets' observed properties, and it should be considered in exoplanets characterisation.

研究动机与目标

• 重新评估在冰线之外形成的富含冰行星的内部结构，因为高冰含量可能改变预期的分层特征。
• 研究高压下冰-岩相互作用对行星热演化与内部构型的影响。
• 评估向内迁移与质量损失对这类行星内部结构与大气成分的影响。
• 挑战标准假设中关于分层内部结构（岩石核心、冰幔）的观点，主张长期存在的混合状态。

提出的方法

• 利用高压实验数据，研究行星内部条件下冰-岩相互作用的相行为与互溶性。
• 开发包含向内迁移过程中可变包层质量损失与恒星辐射通量的热演化模型。
• 通过数值模拟，在不同质量和迁移历史条件下评估行星内部结构的稳定性。
• 应用热力学原理，确定混合与分层构型在十亿年时间尺度上的稳定性。
• 比较迁移至不同轨道距离的行星双星的内部结构，以评估其结构相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压条件下，富含冰行星深部内部中，冰与岩石在多大程度上保持互溶？
• RQ2 向内迁移在多大程度上影响富含冰行星的热演化与内部结构？
• RQ3 质量损失在多大程度上塑造了这些行星的大气成分与内部构型？
• RQ4 迁移至不同距离的行星双星在结构与成分方面，其内部结构有何异同？

主要发现

• 由于高压下的互溶性，超过99%的行星质量保持在冰-岩混合状态，挑战了分层内部结构的假设。
• 只要未发生显著质量损失，富含冰行星的深部内部结构在不同迁移距离下基本相似。
• 显著的质量损失导致挥发性大气质量小于行星质量的1%，其上限受冰-岩相互作用过程限制。
• 冰-岩混合物在十亿年时间尺度上保持稳定，表明混合内部结构是一种长期存在的构型。
• 系外行星的观测特性可能显著受此混合内部结构影响，因此需对系外行星表征模型进行修正。