[论文解读] Terrestrial-type planet formation: Comparing different types of initial conditions

María Paula Ronco, G. C. de Elía+1 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Sep 24, 2015

Astro and Planetary Science参考文献 53被引用 5

一句话总结

本研究比较了在原行星盘气态阶段采用经验性初始条件与基于半解析盘演化模型推导出的初始条件进行的类地行星形成N体模拟。结果表明，尽管两种设定下宜居带内行星的数量和质量相似，但其吸积历史——尤其是富含水物质的吸积——存在显著差异，真实初始条件会改变类地行星上挥发物的起源与输送方式。

ABSTRACT

To study the terrestrial-type planet formation during the post oligarchic growth, the initial distributions of planetary embryos and planetesimals used in N-body simulations play an important role. Most of these studies typically use ad hoc initial distributions based on theoretical and numerical studies. We analyze the formation of planetary systems without gas giants around solar-type stars focusing on the sensitivity of the results to the particular initial distributions of planetesimals and embryos. The formation of terrestrial planets in the habitable zone (HZ) and their final water contents are topics of interest. We developed two different sets of N-body simulations from the same protoplanetary disk. The first set assumes ad hoc initial distributions for embryos and planetesimals and the second set obtains these distributions from the results of a semi-analytical model which simulates the evolution of the gaseous phase of the disk. Both sets form planets in the HZ. Ad hoc initial conditions form planets in the HZ with masses from $0.66M_{\oplus}$ to $2.27M_{\oplus}$. More realistic initial conditions obtained from a semi-analytical model, form planets with masses between $1.18M_{\oplus}$ and $2.21M_{\oplus}$. Both sets form planets in the HZ with water contents between 4.5% and 39.48% by mass. Those planets with the highest water contents respect to those with the lowest, present differences regarding the sources of water supply. We suggest that the number of planets in the HZ is not sensitive to the particular initial distribution of embryos and planetesimals and thus, the results are globally similar between both sets. However, the main differences are associated to the accretion history of the planets in the HZ. These discrepancies have a direct impact in the accretion of water-rich material and in the physical characteristics of the resulting planets.

研究动机与目标

• 评估类地行星形成结果对星子与行星胚胎初始条件选择的敏感性。
• 研究不同初始分布对宜居带（HZ）内最终质量与水含量的影响。
• 确定基于盘演化模型推导的真实初始条件是否与经验性设定相比产生显著不同的行星系统结构。
• 分析富含水物质的吸积历史及其对类地行星组成的影响，特别是对地球类行星的影响。
• 评估在不同初始条件下，行星胚胎与星子在向宜居带行星输送水中的作用。

提出的方法

• 从相同的初始原行星盘构型出发，开展两组N体模拟。
• 第一组采用基于先前研究（如Ronco & de Elía 2014）的经验性星子与行星胚胎分布。
• 第二组则基于半解析模型推导初始条件，模拟气态阶段盘的演化，包括固体物质的径向迁移与集中。
• 模拟假设完全非弹性碰撞，质量与水含量守恒，不考虑I型迁移与星子破碎。
• 追踪吸积历史，包括水输送的时间与来源，并分析最终行星质量与水含量。
• 采用标准盘模型，包含1 M⊙恒星与低质量盘，并聚焦于无气态巨行星的系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始条件的选择（经验性 vs. 半解析推导）如何影响宜居带内形成类地行星的数量与质量？
• RQ2 采用不同初始分布的模拟中，富含水物质的吸积历史有何差异？
• RQ3 在真实初始条件下，哪一类别——行星胚胎或星子——主导了向宜居带类地行星输送水？
• RQ4 星子与行星胚胎的空间分布如何影响宜居带行星的最终水含量与物理特性？
• RQ5 两种初始条件模型中，水输送的时间（早期 vs. 晚期吸积）差异有多大？

主要发现

• 宜居带内形成行星的数量对初始条件的选择不敏感，两种设定均在宜居带内形成行星。
• 在经验性设定中，宜居带内行星质量范围为0.66 M⊕至2.27 M⊕；在真实初始条件设定中，质量范围为1.18 M⊕至2.21 M⊕。
• 宜居带内行星的水含量占质量的4.5%至39.48%，水含量最高的行星表现出因初始条件不同而有显著差异的吸积历史。
• 在经验性设定中，行星胚胎是富含水行星的主要水源；而在真实设定中，两个模拟中的三颗水世界里，胚胎与星子贡献相当。
• 两类设定中，类地行星均在原位形成，无显著迁移，其最终水含量主要由星子贡献，其中一半的W类星子在达到最终质量的75%后才被吸积。
• 水输送为晚期过程，90 Myr后仍持续吸积W类星子，支持行星表面挥发物的保留。