[论文解读] Concerning thermal tides on hot Jupiters

Jeremy Goodman|ArXiv.org|Jan 21, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文挑战了热潮汐可驱动热木星进入非同步自转或偏心轨道的假设，认为在无固体表面的气态行星中，由于流体静力平衡和等压补偿，引力潮汐与热潮汐之间的耦合在一阶上消失。研究结论认为，热潮汐反而可能通过二阶四极矩效应产生与Arras & Socrates所提出的力矩相反的效应，从而强化同步自转和轨道圆化。

ABSTRACT

By analogy with a mechanism proposed by Gold and Soter to explain the retrograde rotation of Venus, Arras and Socrates suggest that thermal tides may excite hot jovian exoplanets into nonsynchronous rotation, and perhaps also noncircular orbits. It is shown here that because of the absence of a solid surface above the convective core of a jovian planet, the coupling of the gravitational and thermal tides vanishes to zeroth order in the ratio of the atmospheric scale height to the planetary radius. At the next order, the effect probably has the sign opposite to that claimed by the latter authors, hence reinforcing synchronous and circular orbits.

研究动机与目标

• 评估Arras & Socrates（2009）提出的假设，即热潮汐可激发热木星的非同步自转或非圆轨道。
• 研究流体静力平衡与质量再分布对气态行星响应热潮汐的作用。
• 评估大气中热潮汐产生的净力矩及其对行星自转与轨道演化的影响。
• 判断木星类行星缺乏弹性强度是否使针对金星逆行自转所提出的机制失效。

提出的方法

• 利用流体静力平衡与等压补偿原理，分析在对流性气态行星中引力潮汐与热潮汐之间的耦合。
• 应用帕斯卡定律与阿基米德定律，模拟大气柱密度变化如何通过对流层中的质量再分布得到补偿。
• 评估热潮汐的净质量四极矩，表明其在H/R（标高与半径之比）的一阶下为零。
• 考虑二阶效应，即四极矩与最热、最膨胀的区域对齐，产生与Arras & Socrates所声称相反的力矩。
• 评估偏心轨道中热潮汐的相位滞后及其对轨道圆化的影响。
• 运用量纲分析与数量级估算，表明由于流体动力学响应时间尺度下的流体行为，所提出的力矩在类木行星中被抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 热木星中的热潮汐是否能如金星类比机制所暗示的那样，驱动非同步自转？
• RQ2 气态巨行星缺乏固体表面，如何影响引力潮汐与热潮汐之间的耦合？
• RQ3 在考虑流体静力平衡与等压补偿后，热潮汐对大气施加的净力矩为何？
• RQ4 热潮汐的四极矩是否产生强化或抵消非同步自转的力矩？
• RQ5 热潮汐在多大程度上可使热木星的偏心轨道趋于圆化？

主要发现

• 由于对流层内部的流体静力平衡与等压补偿，引力潮汐与热潮汐之间的耦合在一阶上（H/R）消失。
• 热潮汐的净质量四极矩被抑制至一阶，导致作用于大气的力矩极小。
• 在下一阶效应中，四极矩与最热、最膨胀的区域对齐，产生与非同步自转相反的力矩。
• 此二阶力矩倾向于强化同步自转，抵消Arras & Socrates所提出的效应。
• 在偏心轨道中，热潮汐的相位滞后仅以二阶影响轨道圆化，且倾向于使轨道趋于圆化。
• 由于缺乏弹性强度及内部流体响应特性，针对金星逆行自转所提出的机制不适用于热木星。