[论文解读] Stellar Chemical Clues As To The Rarity of Exoplanetary Tectonics

Cayman T. Unterborn, S. D. Hull+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2017

Astro and Planetary Science参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出，恒星的钠（Na）和硅（Si）丰度是控制类地系外行星持续板块构造可能性的关键化学因素。通过行星分异的热力学相平衡模型，作者表明，Si和Na丰度较高的行星更难形成下沉的致密地壳，而这是板块构造驱动力所必需的——这意味着银河系中仅有约三分之一的恒星组成可能孕育类似地球的板块构造活跃行星。

ABSTRACT

Earth's tectonic processes regulate the formation of continental crust, control its unique deep water and carbon cycles, and are vital to its surface habitability. A major driver of steady-state plate tectonics on Earth is the sinking of the cold subducting plate into the underlying mantle. This sinking is the result of the combined effects of the thermal contraction of the lithosphere and of metamorphic transitions within the basaltic oceanic crust and lithospheric mantle. The latter of these effects is dependent on the bulk composition of the planet, e.g., the major, terrestrial planet-building elements Mg, Si, Fe, Ca, Al, and Na, which vary in abundance across the Galaxy. We present thermodynamic phase-equilibria calculations of planetary differentiation to calculate both melt composition and mantle mineralogy, and show that a planet's refractory and moderately-volatile elemental abundances control a terrestrial planet's likelihood to produce mantle-derived, melt-extracted crusts that sink. Those planets forming with a higher concentration of Si and Na abundances are less likely to undergo sustained tectonics compared to the Earth. We find only 1/3 of the range of stellar compositions observed in the Galaxy is likely to host planets able to sustain density-driven tectonics compared to the Sun/Earth. Systems outside of this compositional range are less likely to produce planets able to tectonically regulate their climate and may be inhospitable to life as we know it.

研究动机与目标

• 评估行星成分（尤其是难熔和中等挥发性元素）对持续板块构造可能性的影响。
• 识别有利于或不利于系外行星构造活动的恒星系统中的化学条件。
• 建立一个将恒星化学与长期地表-大气地球化学循环潜力相联系的预测框架。
• 提供一个用于优先筛选后续观测的系外行星系统指标，基于其构造宜居潜力。

提出的方法

• 使用BurnMan软件进行行星分异的热力学相平衡计算，以模拟熔融物组成和地幔矿物学。
• 以Mg、Si、Fe、Ca、Al、Na及其他元素的恒星丰度作为行星总成分的代理指标。
• 基于不同化学条件下形成的矿物组合，计算地幔来源地壳的密度和浮力。
• 模拟玄武质地壳和岩石圈地幔中驱动俯冲作用的相变稳定性。
• 将结果与地球成分对比，定义‘构造有利’的成分范围。
• 将该框架应用于估算银河系中能够孕育构造活跃系外行星的恒星组成比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些恒星元素丰度对类地系外行星持续板块构造的可能性影响最大？
• RQ2 Si和Na丰度的变化如何影响形成俯冲所需致密地壳的过程？
• RQ3 银河系中有多大比例的恒星组成落在能够支持类似地球构造活动的成分范围内？
• RQ4 行星成分如何控制洋壳和地幔中驱动俯冲的相变稳定性？
• RQ5 恒星化学能否作为预测具有类似地球构造与气候调节潜力的系外行星的指标？

主要发现

• 形成时Si和Na丰度较高的行星，显著更难形成维持持续板块构造所必需的致密下沉地壳。
• 仅约三分之一的银河系观测到的恒星组成范围被预测可孕育具备维持类似地球构造过程能力的行星。
• 构造活动的可能性强烈受钠等中等挥发性元素丰度的控制，这些元素影响相变和地壳密度。
• 本研究识别出一个成分阈值，超过该阈值后，即使地幔对流强烈，俯冲驱动的密度对比也极不可能形成。
• 恒星Na丰度是预测系外行星构造潜力的关键指标，为宜居性评估提供了新的观测指标。
• 该框架提供了一种定量的、基于化学的方法，可用于优先筛选詹姆斯·韦布空间望远镜等设备的后续观测目标。