[论文解读] The New Generation Planetary Population Synthesis (NGPPS) I. Bern global model of planet formation and evolution, model tests, and emerging planetary systems

Alexandre Emsenhuber, C. Mordasini+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 9被引用 25

一句话总结

本文提出了第三代伯恩行星形成模型（NGPPS），这是一个全面的端到端模拟，整合了气体盘演化、小行星带动力学、核心吸积、N体相互作用以及长期行星演化。该模型成功再现了太阳系的关键特征，包括类地行星的巨型撞击阶段，以及气态巨行星在气体盘消散前形成，以避免向内迁移。

ABSTRACT

Aims. Comparing theoretical models with observations allows one to make key step forward towards an understanding of planetary systems. It however requires a model able to (i) predict all the necessary observable quantities (not only masses and orbits, but also radii, luminosities, magnitudes, or evaporation rates) and (ii) address the large range in relevant planetary masses (from Mars mass to super-Jupiters) and distances (from stellar-grazing to wide orbits). Methods. We have developed a combined global end-to-end planetary formation and evolution model, the Generation III Bern model, based on the core accretion paradigm. This model solves as directly as possible the underlying differential equations for the structure and evolution of the gas disc, the dynamical state of the planetesimals, the internal structure of the planets yielding their planetesimal and gas accretion rates, disc-driven orbital migration, and the gravitational interaction of concurrently forming planets via a full N-body calculation. Importantly, the model also follows the long-term evolution of the planets on Gigayear timescales after formation including the effects of cooling and contraction, atmospheric escape, bloating, and stellar tides. Results. To test the model, we compared it with classical scenarios of Solar System formation. For the terrestrial planets, we find that we obtain a giant impact phase provided enough embryos (~100) are initially emplaced in the disc. For the giant planets, we find that Jupiter-mass planets must accrete their core shortly before the dispersal of the gas disc to prevent strong inward migration that would bring them to the inner edge of the disc. Conclusions. The model can form planetary systems with a wide range of properties. We find that systems with only terrestrial planets are often well-ordered while giant-planet bearing systems show no such similarity.

研究动机与目标

• 开发一个统一模型，能够预测多样化的可观测行星特性，包括质量、轨道、半径、亮度和蒸发速率。
• 在广泛的质量范围（火星至超级木星）和轨道距离（从内轨道到宽轨道）内模拟行星系统。
• 通过整合长期演化过程（包括冷却、收缩、大气逃逸和潮汐效应）来弥补先前模型的局限性。
• 通过将模型结果与经典的太阳系形成情景进行比较，检验其预测能力。

提出的方法

• 该模型基于核心吸积范式，并求解气体盘结构与演化的基础微分方程。
• 通过追踪小行星带动力学和内部行星结构，直接计算小行星和气体吸积速率。
• 使用盘驱动迁移力模拟轨道迁移，并通过完整的N体计算考虑形成中行星之间的引力相互作用。
• 模型包含形成后的长期演化，整合了行星冷却、收缩、大气逃逸、膨胀以及恒星潮汐效应，时间尺度达十亿年。
• 初始条件包括在类地行星区域放置约100个原行星胚胎，以检验巨型撞击的结果。
• 通过将模拟结果与已知的太阳系特性（尤其是类地行星和气态巨行星）进行对比，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一、自洽的模型能否以与观测到的太阳系结构一致的方式，再现类地行星和气态巨行星的形成？
• RQ2 在类地行星区域形成巨型撞击阶段需要满足哪些条件？
• RQ3 核心形成的时间如何影响气态巨行星在向内迁移过程中的存活？
• RQ4 盘消散的时间点在决定大质量行星最终轨道构型方面起到什么作用？
• RQ5 长期演化过程（如大气逃逸和潮汐力）如何影响行星系统的稳定性与可观测特性？

主要发现

• 当在盘中初始放置约100个胚胎时，该模型成功再现了类地行星区域的巨型撞击阶段。
• 质量为木星的行星必须在气体盘消散前的短时间内完成核心吸积，以避免强烈的向内迁移，从而导致轨道衰减并在盘内边缘消失。
• 仅由类地行星组成的系统通常具有良好的有序性，而包含气态巨行星的系统则无此有序性，表明其形成路径截然不同。
• 该模型捕捉了可观测行星特性的完整范围，包括半径、亮度、视星等和蒸发速率，使与观测结果的直接比较成为可能。
• 通过整合长期演化过程（冷却、收缩、大气逃逸和潮汐效应），模型能够实现十亿年尺度上的真实后形成演化。
• 该模型表明，行星系统结构强烈受核心形成时间、盘消散时间以及形成期间引力相互作用之间相互作用的影响。