[论文解读] Structure and evolution of super-Earth to super-Jupiter exoplanets: I. heavy element enrichment in the interior

I. Baraffe, G. Chabrier+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 52被引用 192

一句话总结

本文研究了重元素富集对超级海卫星至超级木星系外行星结构与演化的影响，采用结合不同状态方程、核心分布及热贡献的详细行星模型。研究发现，核心质量分数超过约50%会显著影响行星冷却与半径，10亿年后半径变化可达约10%；并表明像Hat-P-2b这样的大质量行星至少需要200 M⊕的重元素，暗示其形成机制可能为巨型撞击而非标准核心吸积。

ABSTRACT

We examine the uncertainties in current planetary models and we quantify their impact on the planet cooling histories and mass-radius relationships. These uncertainties include (i) the differences between the various equations of state used to characterize the heavy material thermodynamical properties, (ii) the distribution of heavy elements within planetary interiors, (iii) their chemical composition and (iv) their thermal contribution to the planet evolution. Our models, which include a gaseous H/He envelope, are compared with models of solid, gasless Earth-like planets in order to examine the impact of a gaseous envelope on the cooling and the resulting radius. We find that for a fraction of heavy material larger than 20% of the planet mass, the distribution of the heavy elements in the planet's interior affects substantially the evolution and thus the radius at a given age. For planets with large core mass fractions ($\simgr$ 50%), such as the Neptune-mass transiting planet GJ436b, the contribution of the gravitational and thermal energy from the core to the planet cooling history is not negligible, yielding a $\sim$ 10% effect on the radius after 1 Gyr. We show that the present mass and radius determinations of the massive planet Hat-P-2b require at least 200 $\mearth$ of heavy material in the interior, at the edge of what is currently predicted by the core-accretion model for planet formation. We show that if planets as massive as $\sim$ 25 $\mjup$ can form, as predicted by improved core-accretion models, deuterium is able to burn in the H/He layers above the core, even for core masses as large as $\sim$ 100 $\mearth$. We provide extensive grids of planetary evolution models from 10 $\mearth$ to 10 M$_{ m Jup}$, with various fractions of heavy elements.

研究动机与目标

• 量化与重元素富集相关的行星模型不确定性，及其对系外行星冷却与质量-半径关系的影响。
• 评估状态方程、化学成分、分布及重元素热能变化对行星演化的影响。
• 将具有气态包层的模型与无气态包层的类地行星模型进行比较，以隔离H/He大气层对半径和冷却时间的影响。
• 评估高金属度对行星形成机制的启示，特别是对像Hat-P-2b和HD 149026b这样的大质量致密行星的影响。
• 提供一个从10 M⊕到10 MJ的完整模型网格，用于解释未来的CoRoT和Kepler凌星数据并推断内部成分。

提出的方法

• 构建涵盖10 M⊕至10 MJ的行星演化模型，包含H/He包层并改变重元素的比例。
• 使用多种重元素状态方程（如硅酸盐、冰）以评估内部热力学不确定性。
• 改变重元素的分布（中心核心 vs. 均匀或混合分布），以评估其对结构与热力的影响。
• 将重元素的引力与热能释放纳入冷却模型，评估其对行星半径演化的影响。
• 比较有与无气态包层的模型，以隔离H/He大气层对半径与冷却 timescales 的影响。
• 将模型应用于观测到的系外行星（如GJ436b、Hat-P-2b、HD 149026b），推断其内部成分与形成路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 重元素状态方程的不确定性在多大程度上影响超级海卫星至气态巨行星的预测质量-半径关系？
• RQ2 重元素分布（核心 vs. 混合）在多大程度上影响行星随时间的冷却与半径演化？
• RQ3 对于核心质量分数超过50%的行星，重元素的热能与引力能对冷却历史的贡献如何？
• RQ4 像Hat-P-2b和HD 17156b这样的大质量行星的高密度与高偏心率能否仅由核心吸积解释，还是巨型撞击等替代形成机制更能解释其特性？
• RQ5 在大质量行星的H/He包层中，氘燃烧在何种条件下可能发生，这对行星与棕矮星的区分意味着什么？

主要发现

• 对于核心质量分数>~50%的行星（如GJ436b），核心的引力与热能释放可在10亿年后贡献高达约10%的半径演化。
• Hat-P-2b当前的质量与半径要求其内部至少含有200 M⊕的重元素，超过当前核心吸积模型的预测。
• 大质量行星或小行星之间的巨型撞击可能解释像Hat-P-2b与HD 17156b这类高密度、高偏心率行星的形成。
• 若质量约为25 MJ的行星可通过改进的核心吸积模型形成，则即使核心质量高达约100 M⊕，其H/He包层中仍可发生氘燃烧。
• 氘燃烧极限不能作为区分行星与棕矮星的有效标准，因为大质量行星仍可引发氘聚变。
• 本研究提供了从10 M⊕到10 MJ、包含不同重元素比例的完整行星演化模型网格，可供公众使用，以解释CoRoT与Kepler的凌星数据。