[论文解读] Survival of Primordial Planetary Atmospheres: Mass Loss from Temperate Terrestrial Planets

Alex R. Howe, Fred C. Adams+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 64被引用 15

一句话总结

本文研究了分子氢的光致离解作为通过星子吸积形成的温带类地系外行星质量损失的重要机制。研究发现，尽管光致离解贡献显著——可去除约34巴的氢气，但其效率仍低于撞击侵蚀（约2,300巴），且不足以完全剥离原始的H/He大气层，最终留下富含水的残留物。

ABSTRACT

The most widely-studied mechanism of mass loss from extrasolar planets is photoevaporation via XUV ionization, primarily in the context of highly irradiated planets. However, the EUV dissociation of hydrogen molecules can also theoretically drive atmospheric evaporation on low-mass planets. For temperate planets such as the early Earth, impact erosion is expected to dominate in the traditional planetesimal accretion model, but it would be greatly reduced in pebble accretion scenarios, allowing other mass loss processes to be major contributors. We apply the same prescription for photoionization to this photodissociation mechanism and compare it to an analysis of other possible sources of mass loss in pebble accretion scenarios. We find that there is not a clear path to evaporating the primordial atmosphere accreted by an early Earth analog in a pebble accretion scenario. Impact erosion could remove ~2,300 bars of hydrogen if 1% of the planet's mass is accreted as planetesimals, while the combined photoevaporation processes could evaporate ~750 bars of hydrogen. Photodissociation is likely a subdominant, but significant component of mass loss. Similar results apply to super-Earths and mini-Neptunes. This mechanism could also preferentially remove hydrogen from a planet's primordial atmosphere, thereby leaving a larger abundance of primordial water compared to standard dry formation models. We discuss the implications of these results for models of rocky planet formation including Earth's formation and the possible application of this analysis to mass loss from observed exoplanets.

研究动机与目标

• 评估通过星子吸积形成的温带类地系外行星中，分子光致离解在质量损失中的作用。
• 在星子吸积条件下，将光致离解与其他质量损失机制（尤其是撞击侵蚀和光致电离）进行比较。
• 评估在优先损失氢和氦后，原始水是否可能在大气中得以保留。
• 探讨这些过程对类地行星（如地球）形成模型及系外行星观测特性的影响。

提出的方法

• 采用能量限制的质量损失模型处理光致离解，基于Draine & Bertoldi (1996)的15% H2离解效率。
• 将标准光致电离模型（Watson et al. 1981）扩展以包含光致离解，假设电离辐射与离解辐射波段重叠。
• 基于Ginzburg et al. (2016)的估算，采用1%的行星质量作为小行星撞击体的吸积质量分数来估计撞击侵蚀导致的质量损失。
• 利用已发表的标度律量化Jeans逃逸、恒星风剥离和热风贡献的质量损失。
• 在行星快速形成且具有富气包层的星子吸积情景下，比较各机制的总质量损失。
• 采用固定效率模型处理光致离解，并指出未来需开展波长依赖效率的研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通过星子吸积形成的温带类地系外行星中，H2的光致离解是否可成为主导或显著的质量损失贡献机制？
• RQ2 在星子吸积情景下，光致离解与光致电离和撞击侵蚀相比，其效率如何？
• RQ3 在通过星子吸积形成的类地行星中，是否存在完全剥离原始H/He大气层的可行路径？
• RQ4 光致离解在优先去除氢气方面，能在多大程度上保留水和其他挥发性物质？
• RQ5 若将光致离解纳入考虑，将如何改变对系外行星在半径-通量空间中蒸发谷的预测？

主要发现

• 光致离解贡献了约34巴的氢气质量损失，是显著但非主导的过程，相较于撞击侵蚀仍处于次要地位。
• 在星子吸积情景下，撞击侵蚀可去除高达约2,300巴的氢气，主要源于1%行星质量的小行星吸积。
• 光致电离贡献了约712巴的质量损失，是仅次于撞击侵蚀的第二大贡献者。
• Jeans逃逸、恒星风剥离和热风在模拟条件下贡献微小，合计不足100巴。
• 所有机制的总质量损失约为3,067巴，仍不足以完全剥离约23,000巴的原始大气层。
• 氢和氦的优先损失使剩余大气层富集水和其他重质挥发性物质，支持原始水得以保留的模型。