[论文解读] Characterization of exoplanets from their formation III: The statistics of planetary luminosities

C. Mordasini, Gabriel-Dominique Marleau+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 187被引用 5

一句话总结

本文通过核心吸积模型研究了行星在形成与演化过程中的光度分布，考虑了不同吸积加热效率的影响。研究预测气态巨行星的对数光度分布呈平坦特征，而低光度区域则因低质量行星（M ≲ 10–40 M⊕）出现频率更高而呈现陡峭上升趋势；若无法确定吸积历史，相同质量下行星的形成后光度可相差达2–3个量级。

ABSTRACT

This paper continues a series in which we predict the main observable characteristics of exoplanets based on their formation. In Paper I we described our global planet formation and evolution model. In Paper II we studied the planetary mass-radius relationship. Here we present an extensive study of the statistics of planetary luminosities during both formation and evolution. Our results can be compared with individual directly imaged (proto)planets as well as statistical results from surveys. We calculated three synthetic planet populations assuming different efficiencies of the accretional heating by gas and planetesimals. We describe the temporal evolution of the planetary mass-luminosity relation. We study the shock and internal luminosity during formation. We predict a statistical version of the post-formation mass versus entropy "tuning fork" diagram. We find high nominal post-formation luminosities for hot and cold gas accretion. Individual formation histories can still lead to a factor of a few spread in the post-formation luminosity at a given mass. However, if the gas and planetesimal accretional heating is unknown, the post-formation luminosity may exhibit a spread of as much as 2-3 orders of magnitude at a fixed mass covering cold, warm, and hot states. As a key result we predict a flat log-luminosity distribution for giant planets, and a steep increase towards lower luminosities due to the higher occurrence rate of low-mass planets. Future surveys may detect this upturn. During formation an estimate of the planet mass may be possible for cold gas accretion if the gas accretion rate can be estimated. Due to the "core-mass effect" planets that underwent cold gas accretion can still have high post-formation entropies. Once the number of directly imaged exoplanets with known ages and luminosities increases, the observed distributions may be compared with our predictions.

研究动机与目标

• 通过群体合成方法建模行星在形成与演化过程中的光度统计分布。
• 评估气体与星子吸积加热对不同质量行星形成后光度及其变化的影响。
• 研究核心质量与吸积历史在决定行星熵与光度中的作用，尤其关注冷态与热态气体吸积的差异。
• 通过引入氘燃烧更新质量-半径关系，并将预测的光度分布与直接成像巡天结果进行比较。
• 评估自发光系外行星的可探测性，以及在缺乏年龄或吸积率信息时，仅凭光度对质量估计的限制。

提出的方法

• 模拟了三组具有不同气体与星子吸积加热效率的合成行星群体。
• 利用基于核心吸积的行星形成与演化模型，追踪质量-光度关系的时序演化。
• 计算了快速吸积与平静吸积阶段的激波与内部光度，以评估其相对贡献。
• 在热力演化模型中引入氘燃烧，以随时间优化质量-半径关系。
• 生成了形成路径的统计版“调音叉”图（后形成质量 vs. 熵），以可视化不同形成路径。
• 使用三维流体动力学模型估算星子撞击加热效应，包括能量沉积与局部混合影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 气体与星子吸积加热效率如何影响相同质量下系外行星形成后的光度？
• RQ2 形成历史的差异在多大程度上导致光度分散？这种分散在不同吸积情景下是否可量化？
• RQ3 行星光度的统计分布是怎样的？是否预测了因低质量行星（M ≲ 10–40 M⊕）出现频率更高而导致低光度区域的可探测上升趋势？
• RQ4 核心质量效应是否足以解释即使在冷态气体吸积形成的行星中，其高形成后光度与熵，从而减少对引力不稳定性等替代形成机制的依赖？
• RQ5 气体吸积率的不确定性在多大程度上影响了仅凭光度对直接成像系外行星质量估计的可靠性？

主要发现

• 即使在相同吸积模式下，由于个体形成历史的差异，相同质量行星的形成后光度仍可相差5至20倍。
• 若快速吸积阶段的气体吸积率未知，相同质量下光度的分散范围可达到2–3个量级，严重限制了仅凭光度进行质量估计的可靠性。
• 预测气态巨行星的对数光度分布呈平坦特征，而低光度区域因低质量行星（M ≲ 10–40 M⊕）出现频率更高而呈现陡峭上升趋势。
• 核心质量效应可使通过冷态气体吸积形成的行星达到高形成后熵与光度，从而无需依赖引力不稳定性机制即可解释观测到的高亮度天体。
• 氘燃烧显著影响热力演化过程，并随时间更新质量-半径关系，尤其在年轻且质量较大的行星中更为显著。
• 未来的直接成像巡天可能探测到预测的低光度行星出现频率的上升趋势，从而为该模型的统计光度分布提供检验。