[论文解读] Evaporation rate of hot Jupiters and formation of Chthonian planets

G. Hébrard, A. Lecavelier des Étangs+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 25

一句话总结

本文提出，极端紫外辐射和潮汐力驱动热木星发生强烈的大气蒸发，导致在温度≥10,000 K时质量损失速率为1–5×10¹¹ g s⁻¹，这解释了短周期系外行星的稀少性，并表明在完全大气蒸发后可能形成残留的岩石核心——即岩质行星（Chthonian planets）。

ABSTRACT

Among the hundred of known extrasolar planets, about 15% are closer than 0.1 AU from their parent stars. But there are extremely few detections of planets orbiting in less than 3 days. At this limit the planet HD209458b has been found to have an extended upper atmosphere of escaping hydrogen. This suggests that the so-called hot Jupiters which are close to their parent stars could evaporate. Here we estimate the evaporation rate of hydrogen from extrasolar planets in the star vicinity. With high exospheric temperatures, and owing to the tidal forces, planets evaporate through a geometrical blow-off. This may explain the absence of Jupiter mass planets below a critical distance from the stars. Below this critical distance, we infer the existence of a new class of planets made of the residual central core of former hot Jupiters, which we propose to call the ``Chthonian'' planets.

研究动机与目标

• 解释观测到的轨道周期短于3天的热木星数量稀少的现象，该现象与其预期形成频率不一致。
• 通过重新审视关于高层大气中温度和重力的过时假设，重新评估热木星中大气质量损失的重要性。
• 提出一类新的系外行星——岩质行星（Chthonian planets），其成分为蒸发后的热木星残留核心。
• 利用改进的Jeans逃逸模型（基于洛希瓣定义的修正外漏面）量化热木星中氢的蒸发速率。

提出的方法

• 用基于能量平衡（恒星极端紫外辐射通量与冷却机制之间的平衡）的物理上合理的高层大气温度估计，替代黑体平衡温度。
• 将外漏面定义为平均自由程超过至行星洛希瓣距离的海拔高度，从而实现更精确的逃逸通量计算。
• 应用Jeans逃逸理论，基于粒子速度的玻尔兹曼分布，计算作为外层气温函数的氢逃逸通量。
• 结合潮汐力对大气重力的影响，计算热木星的质量损失寿命，作为轨道距离和行星质量的函数。
• 利用HD 209458b的Ly-α观测结果，约束最小逃逸通量为10¹⁰ g s⁻¹，与理论预测进行比较。
• 通过恒星极端紫外和Ly-α光子加热与导热、电离及蒸发冷却之间的平衡，估算上层大气温度约为10,000 K。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管预期形成频率较高，却仅有极少数热木星的轨道周期短于3天？
• RQ2 在强恒星辐射和潮汐力作用下，热木星的真实大气质量损失量有多大？
• RQ3 HD 209458b观测到的氢逃逸是否可用考虑真实上层大气温度的理论Jeans逃逸模型解释？
• RQ4 热木星的寿命如何随其质量和轨道距离变化？该模型是否能解释极短周期行星的观测稀少性？
• RQ5 蒸发后的热木星残留核心是否可能构成一类新的系外行星？其特性是什么？

主要发现

• 由于极端紫外和Ly-α辐射，像HD 209458b这样的热木星上层大气温度估计至少为10,000 K，远高于以往的黑体估计值。
• HD 209458b的氢逃逸通量估计为1–5×10¹¹ g s⁻¹，与哈勃空间望远镜Ly-α观测结果一致，后者设定了10¹⁰ g s⁻¹的下限。
• 在5×10⁹年的行星年龄下，HD 209458b可能因大气蒸发损失了其总质量的1%至7%。
• 轨道周期短于2–3天的热木星因质量损失过快而寿命极短，这解释了其观测上的稀少性。
• 近距离轨道上的低质量行星同样经历极短寿命，意味着其大气成分在长时间尺度上显著演化，可能形成氢贫乏或无大气的残余物。
• 理论建模支持一类新系外行星——岩质行星——的存在，其由曾经为气态的热木星在完全大气蒸发后遗留的致密核心形成。