[论文解读] The effect of late giant collisions on the atmospheres of protoplanets and the formation of cold sub-Saturns

Mohamad Ali-Dib, A. Cumming+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 85被引用 11

一句话总结

本文提出，原行星在亚临界状态下发生巨大碰撞时，其核心受热产生热驱动的超爱丁顿风，可剥离气态包层，从而阻止吸积 runaway，最终形成具有大质量核心（约30 M⊕）和低质量包层（数个 M⊕）的冷亚土星（CSS）。该过程发生在原行星盘消散期间，由于盘快速耗尽，形成的行星不会成为气态巨行星，从而解释了观测中冷亚土星数量超出理论预测的现象。

ABSTRACT

We investigate the origins of cold sub-Saturns (CSS), an exoplanetary population inferred from microlensing surveys. If confirmed, these planets would rebut a theorised gap in planets' mass distribution between those of Neptune and Jupiter caused by the rapid runaway accretion of super-critical cores. In an attempt to resolve this theoretical-observational disparity, we examine the outcomes of giant collisions between sub-critical protoplanets. Due to the secular interaction among protoplanets, these events may occur in rapidly depleting discs. We show that impactors ~ 5% the mass of near-runaway envelopes around massive cores can efficiently remove these envelopes entirely via a thermally-driven super-Eddington wind emanating from the core itself, in contrast with the stellar Parker winds usually considered. After a brief cooling phase, the merged cores resume accretion. But, the evolution timescale of transitional discs is too brief for the cores to acquire sufficiently massive envelopes to undergo runaway accretion despite their large combined masses. Consequently, these events lead to the emergence of CSS without their transformation into gas giants. We show that these results are robust for a wide range of disc densities, grain opacities and silicate abundance in the envelope. Our fiducial case reproduces CSS with heavy (>= 30 M_Earth) cores and less massive (a few M_Earth) sub-critical envelopes. We also investigate the other limiting cases, where continuous mergers of comparable-mass cores yield CSS with wider ranges of core-to-envelope mass ratios and envelope opacities. Our results indicate that it is possible for CSS and Uranus and Neptune to emerge within the framework of well studied processes and they may be more common than previously postulated.

研究动机与目标

• 解决理论预测的中等质量行星‘沙漠’与微引力透镜巡天观测到的冷亚土星（CSS）丰度之间的理论-观测差异。
• 探究在盘消散期间巨大碰撞是否能阻止核心吸积 runaway 并导致 CSS 的形成。
• 考察核心加热、包层剥离和盘耗尽在塑造 CSS 最终质量和结构中的作用。
• 确定在何种条件下巨大撞击可产生核心质量 ≳30 M⊕ 且包层为亚临界状态的行星。
• 评估该机制在不同盘密度、尘埃消光截面和硅酸盐丰度下的鲁棒性。

提出的方法

• 利用简化的热风框架模拟碰撞后的包层演化，以模拟核心加热驱动的超爱丁顿质量损失。
• 模拟撞击能量耗散以估算核心温度上升和光度增强。
• 通过激波传播和后续热风喷射追踪包层质量损失，重点关注能量传递效率。
• 改变初始条件，包括核心质量（15–30 M⊕）、盘气体密度（10⁻¹⁴ 至 10⁻¹¹ g/cm³）、尘埃消光截面（0.00–1.50 × 10⁻²）和金属量（太阳或低于太阳）。
• 同时考虑‘干’和‘湿’情形（有无通过盘流实现包层再循环），以评估对再吸积的影响。
• 与系外行星形成合成模型（如 Ida & Lin 2004）进行比较，以在标准形成假设下验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 巨大碰撞是否能高效剥离接近临界质量的核心的气态包层，从而阻止吸积 runaway？
• RQ2 核心驱动的超爱丁顿风在高速撞击后对包层喷射起什么作用？
• RQ3 在过渡阶段快速盘耗尽如何影响碰撞后气态包层的再吸积？
• RQ4 盘密度、尘埃消光截面和硅酸盐丰度的变化在多大程度上影响最终行星的质量和结构？
• RQ5 该机制能否产生核心质量 ≳30 M⊕ 且包层质量 ≲10 M⊕ 的冷亚土星，与微引力透镜观测一致？

主要发现

• 质量为 0.5–1.5 M⊕ 的撞击体与 20–30 M⊕ 的原行星碰撞，可通过核心驱动的超爱丁顿风完全剥离其包层，从而阻止吸积 runaway。
• 包层剥离过程分为两个阶段：初始激波波前移除，随后由核心加热驱动的热风喷射，其光度超过爱丁顿极限。
• 碰撞后核心冷却和再吸积的时间尺度比过渡盘寿命（约 10⁵ yr）短几个数量级，限制了包层增长。
• 在广泛的盘密度范围（10⁻¹⁴–10⁻¹¹ g/cm³）、尘埃消光截面（0.00–1.50 × 10⁻²）和硅酸盐丰度下，最终包层质量保持亚临界，形成核心质量 ≳30 M⊕ 且包层质量为数个 M⊕ 的冷亚土星。
• 通过盘流实现的包层再循环略微减少再吸积的包层质量，但不改变包层生长保持亚临界的本质结果。
• 该机制产生的行星与微引力透镜统计一致，解释了观测中冷亚土星数量超出理论预测的‘行星沙漠’现象。