[论文解读] In situ formation of super-Earth/sub-Neptune driven by the planetary rotation

Wei Zhong, Cong Yu|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 66被引用 3

一句话总结

本文提出，行星自转通过降低对流区和辐射区的辐射能量密度，延缓了原行星超级类地行星/亚海王星的冷却与收缩，使辐射-对流边界（RCB）深入更深区域。这降低了冷却光度，使演化 timescale 超过盘盘寿命（10 Myr），即使核心质量适中，也能促成超级类地行星/亚海王星的形成，尤其在尘埃大气增强的条件下。

ABSTRACT

Kepler's observation shows that many of the detected planets are super-Earths. They are inside a range of critical masses overlapping the core masses (2-20 $M_{\bigoplus}$), which would trigger the runaway accretion and develop the gas giants. Thus, super-Earths/sub-Neptunes can be formed by restraining runaway growth of gaseous envelopes. We assess the effect of planetary rotation in delaying the mass growth. The centrifugal force, induced by spin, will offset a part of the gravitational force and deform the planet. Tracking the change in structure, we find that the temperature at the radiative-convective boundary (RCB) is approximate to the boundary temperature. Since rotation reduces the radiation energy densities in the convective and radiative layers, RCB will penetrate deeper. The cooling luminosity would decrease. Under this condition, the evolutionary timescale can exceed the disk lifetime (10 Myr), and a super-Earth/sub-Neptune could be formed after undergoing additional mass loss processes. In the dusty atmosphere, even a lower angular velocity can also promote a super-Earth/sub-Neptune forming. Therefore, we conclude that rotation can slow down the planet's cooling and then promote a super-Earth/sub-Neptune forming.

研究动机与目标

• 研究行星自转如何影响超级类地行星/亚海王星的形成 timescale。
• 确定自转是否通过改变热力与结构演化，延迟失控气体吸积。
• 评估自转在加深辐射-对流边界（RCB）和降低冷却光度中的作用。
• 探讨自转与尘埃消光系数共同作用对促进超级类地行星/亚海王星形成的影响。

提出的方法

• 使用二维扁椭球近似建模旋转行星的流体静力平衡，以考虑离心力引起的形变。
• 计算由自转引起的形变所导致的引力势和温度梯度变化。
• 追踪在不同角速度下辐射-对流边界（RCB）的穿透深度。
• 评估由于对流区和辐射区辐射能量密度降低，导致的冷却光度和开尔文-赫尔姆霍兹（KH） timescale 的减少。
• 在包层中引入尘埃消光系数效应，评估其与自转在延长演化 timescale 方面的协同作用。
• 将角速度参数化为自由参数，范围为 ω < ωcrit，以避免行星解体。

实验结果

研究问题

• RQ1 行星自转如何影响原行星超级类地行星/亚海王星中辐射-对流边界（RCB）的深度？
• RQ2 自转在多大程度上降低冷却光度，并将演化 timescale 延长至超过 10 Myr？
• RQ3 自转本身，或与尘埃消光系数结合，是否能延迟失控气体吸积并促成超级类地行星/亚海王星的形成？
• RQ4 自转如何影响演化原行星中的引力势和流体静力平衡？
• RQ5 角速度在调节核心质量增长和包层收缩 timescale 中起什么作用？

主要发现

• 自转降低了对流区和辐射区的辐射能量密度，导致辐射-对流边界（RCB）向行星内部更深区域渗透。
• RCB 处的温度近似等于边界温度（TRCB ∼ Td），表明自转引起热平衡状态的改变。
• 由于 RCB 深入更深，冷却光度降低，导致行星收缩变慢，演化 timescale 延长。
• 当演化 timescale 超过 10 Myr（典型盘盘寿命）时，即使核心质量不足以触发失控气体吸积，也能形成超级类地行星/亚海王星。
• 在含尘大气中，即使角速度较低，也能显著延长演化 timescale，提高超级类地行星/亚海王星形成的概率。
• 自转增加了辐射区的大小，可能引发流体湍流和涡度，进一步改变能量传输方式和行星结构。