[论文解读] Composition and fate of short-period super-Earths: The case of CoRoT-7b

Diana Valencia, Masahiro Ikoma+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2009

Astro and Planetary Science被引用 12

一句话总结

本研究利用内部结构模型和流体动力学质量损失计算，调查了短周期超级地球CoRoT-7b的成分及其大气演化。结果表明，CoRoT-7b最符合岩石质、铁含量贫乏的行星，或富含挥发物的蒸汽包覆世界，但排除了原始氢-氦包层的存在，因为其在约100万年内经历了极端的质量损失，而对逃逸大气层的光谱观测为区分这两种情景提供了可能途径。

ABSTRACT

The discovery of CoRoT-7b, a planet of radius 1.68 +/- 0.09 R_E, mass 4.8 +/- 0.8 M_E and orbital period of 0.854 days demonstrates that small planets can orbit extremely close to their star. We use knowledge of hot Jupiters, mass loss estimates and models for the interior structure and evolution of planets to understand its composition, structure and evolution. The inferred mass and radius of CoRoT-7b are consistent with a rocky planet that would be depleted in iron relative to Earth. However, a one sigma increase in mass (5.6 M_E) and decrease in size (1.59 R_E) are compatible with an Earth-like composition (33% iron, 67% silicates). Alternatively, it is possible that CoRoT-7b contains a significant amount of volatiles. An equally good fit to the data is found for a vapor envelope equal to 3% (and up to 10%) by mass above an Earth-like nucleus. Because of its intense irradiation and small size, the planet cannot possess an envelope of H and He of more than 1/10,000 of its total mass. We show that the mass loss is significant (~ 10^11 g/s) and independent of planetary composition. This is because the hydrodynamical escape rate is independent of the atmosphere's mean molecular mass, and owing to the intense irradiation, even a bare rocky planet would possess an equilibrium vapor atmosphere thick enough to capture stellar UV photons. This escape rate rules out the possibility of a H-He envelope as it would escape in only ~1 Ma. A water vapor atmosphere would escape in ~ 1 Ga, and thus it is a plausible scenario. The origin of CoRoT-7b cannot be inferred from present observations: It may have formed rocky; or be the remnant of a Uranus-like ice giant, or a gas giant with a small core that was stripped of its gaseous envelope.

研究动机与目标

• 根据其测量的质量和半径，确定CoRoT-7b最可能的内部成分。
• 评估在强烈恒星辐照下，大气包层（特别是氢-氦和水蒸气包层）的命运。
• 评估CoRoT-7b是否可能是被剥离外层的气态巨行星或冰巨星的残余。
• 基于当前观测数据，建立最大可能的挥发物或气态包层质量的约束。
• 探讨未来光谱系凌观测区分岩石质与富含挥发物行星成分的潜力。

提出的方法

• 使用内部结构模型计算行星半径随质量与成分的变化，假设分层分异，包含硅酸盐和铁核心。
• 应用能量限制质量损失公式（方程1）估算流体动力学逃逸速率，以恒星的EUV通量和加热效率作为关键输入参数。
• 评估不同大气成分（H/He、水蒸气）下的逃逸速率，发现能量限制区域中逃逸速率与平均分子质量无关。
• 评估不同包层类型的存活时间：H/He包层约1 Ma，水蒸气包层约1 Ga，基于估算的质量损失速率。
• 通过要求与观测到的质量和半径一致，假设其核心为类地成分的岩石核心，对包层质量进行约束。
• 探讨高温高压下硅酸盐与挥发物之间可能混合的影响，承认分层模型假设的局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据其测量的质量和半径，CoRoT-7b最可能的内部成分是什么？
• RQ2 在强烈的恒星辐照和估算的质量损失速率下，CoRoT-7b周围能否存在氢-氦包层？
• RQ3 与CoRoT-7b观测到的质量和半径一致的水蒸气包层最大可能质量是多少？
• RQ4 大气逃逸如何影响像CoRoT-7b这样的短周期超级地球的演化历史与当前状态？
• RQ5 未来的光谱系凌观测能否区分岩石质行星与具有蒸汽包层的富含挥发物行星？

主要发现

• CoRoT-7b最符合一个铁含量显著低于地球的岩石行星，但若质量增加一个标准差（5.6 M⊕）且半径减小（1.59 R⊕），则其成分可与类地行星（33%铁，67%硅酸盐）相容。
• 质量占行星3%的水蒸气包层与岩石核心对观测质量与半径的拟合程度相当，最大可能包层质量为10%。
• 氢-氦包层被排除，因其在约100万年内将被完全损失，质量损失速率极高（约10¹¹ g s⁻¹）。
• 估算的质量损失速率约10¹¹ g s⁻¹在能量限制区域与大气成分无关，意味着即使裸露的岩石行星具有硅酸盐蒸汽大气，也会发生显著逃逸。
• 硅酸盐蒸汽大气足够致密，可有效吸收恒星紫外光子，维持与能量限制估算相当的高逃逸速率。
• 该行星当前状态与它是失去包层的气态巨行星或冰巨星残余的假设一致，但当前观测尚无法约束其确切起源。