[论文解读] Mantle Degassing Lifetimes through Galactic Time and the Maximum Age Stagnant-lid Rocky Exoplanets can Support Temperate Climates

Cayman T. Unterborn, Bradford J. Foley+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

High-pressure geophysics and materials参考文献 126被引用 32

一句话总结

本文通过结合银河系化学演化与蒙特卡洛热力演化模拟，模拟了静岩盖型类地系外行星的幔部脱气持续时间，估算行星在40K、232Th、235U和238U放射性衰变提供的热能下，能维持温和气候的时长。研究发现，在悲观假设下，17颗已观测到的类地系外行星中仅有7颗可能至今仍处于活跃脱气状态，脱气持续时间强烈依赖于初始放射性生热元素（HPE）丰度与行星质量。

ABSTRACT

The ideal exoplanets to search for life are those within a star's habitable zone. However, even within the habitable zone planets can still develop uninhabitable climate states. Sustaining a temperate climate over geologic ($\sim$Gyr) timescales requires a planet contain sufficient internal energy to power a planetary-scale carbon cycle. A major component of a rocky planet's energy budget is the heat produced by the decay of radioactive elements, especially $^{40}$K, $^{232}$Th, $^{235}$U and $^{238}$U. As the planet ages and these elements decay, this radiogenic energy source dwindles. Here we estimate the probability distribution of the amount of these heat producing elements (HPEs) that enter into rocky exoplanets through Galactic history, by combining the system-to-system variation seen in stellar abundance data with the results from Galactic chemical evolution models. Using these distributions, we perform Monte-Carlo thermal evolution models that maximize the mantle cooling rate. This allows us to create a pessimistic estimate of lifetime a rocky, stagnant-lid exoplanet can support a global carbon cycle and temperate climate as a function of its mass and when it in Galactic history. We apply this framework to a sample of 17 likely rocky exoplanets with measured ages, 7 of which we predict are likely to be actively degassing today despite our pessimistic assumptions. For the remaining planets, including those orbiting TRAPPIST-1, we cannot confidently assume they currently contain sufficient internal heat to support mantle degassing at a rate sufficient to sustain a global carbon cycle or temperate climate without additional tidal heating or undergoing plate tectonics.

研究动机与目标

• 确定静岩盖型类地系外行星在放射性热能衰减条件下，能通过地幔脱气维持温和气候的最长时间。
• 量化银河系化学演化对类地系外行星中初始生热元素（HPE）丰度分布的影响。
• 通过估算行星是否仍保有足够内部热量以驱动全球碳循环，评估已观测系外行星的宜居性。
• 评估地幔水含量与潮汐加热在延长脱气持续时间中的作用。
• 基于恒星HPE丰度数据，提供一种悲观但基于观测约束的脱气持续时间估计。

提出的方法

• 结合Hypatia目录中的恒星丰度数据与银河系化学演化模型，估算系外行星中的初始HPE分布。
• 基于观测到的系统间差异，对HPE丰度（40K、232Th、238U/Eu）进行蒙特卡洛采样。
• 应用更新的热力演化模型，模拟在最大冷却假设下的地幔冷却与脱气速率。
• 将脱气持续时间定义为脱气速率降至当前地球速率10%以下的时间（按表面积归一化）。
• 通过改变地幔水含量与固相线温度，评估其对脱气持续时间的影响。
• 将结果扩展至17颗已测量年龄的已观测类地系外行星，以评估其当前宜居潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在放射性热能衰减的条件下，静岩盖型类地系外行星能维持地幔脱气与温和气候的最长时间是多少？
• RQ2 生热元素（HPE）的初始丰度如何随银河系历史演变，又如何影响行星热力演化？
• RQ3 在对内部热量与HPE含量持悲观假设的前提下，哪些已观测系外行星可能至今仍处于活跃脱气状态？
• RQ4 地幔水含量如何影响脱气持续时间及长期气候稳定性的潜力？
• RQ5 潮汐加热或板块构造在维持老年系外行星宜居条件方面，需要达到何种程度？

主要发现

• 在悲观假设下，17颗已观测类地系外行星中仅有7颗被预测至今仍处于活跃脱气状态，表明它们可能仍能支持全球碳循环。
• 脱气持续时间强烈依赖于初始HPE丰度，早期银河系形成时期（HPE丰度高）的行星具有更长的潜在宜居持续时间。
• 对于地球质量的行星，当初始40K丰度处于地球水平时，脱气持续时间达到最大值；40K丰度加倍或减半将使最大年龄（Agemax）变化±2 Gyr。
• 地幔水含量的影响复杂：虽然可降低固相线温度并促进熔融，但在高浓度（>0.2 wt%）时可能因压力增加而抑制脱气。
• 初始HPE含量高的行星（如40K为地球的2倍）可维持脱气长达约100亿年，而低HPE行星可能在30至50亿年内停止脱气。
• TRAPPIST-1系外行星及其他古老系统，若无额外热源（如潮汐加热或板块构造），无法被确信地认为能维持脱气或温和气候。