[论文解读] The origin of the high metallicity of close-in giant exoplanets: Combined effect of the resonant and aerodynamic shepherding

S. Shibata, Ravit Helled+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用 15

一句话总结

本研究表明，迁移的巨型系外行星可通过共振拖曳（轨道共振）与气体阻力的共同作用捕获星子，从而实现高金属量。尽管初始阶段这些力会抑制捕获，但共振中振荡幅度的放大使星子得以逃脱并被吸积，使行星能够捕获数十倍地球质量的固态物质——若这些气态巨行星在数十 AU 外形成并随后向内迁移，这一机制可解释其轨道内侧观测到的高金属量。

ABSTRACT

Context.Recent studies suggest that many giant exoplanets are highly enriched with heavy elements compared to their host star andcontain several tens of Earth masses or more of heavy elements. Such enrichment is considered to have been brought by accretionof planetesimals in late formation stages. Previous dynamical simulations, however, show that planets are unable to collect so muchheavy elements throughin situplanetesimal accretion. Aims.We investigate whether a giant planet migrating inward can capture planetesimals efficiently to significantly increase its metal-licity. Methods.We performed orbital integrations of a migrating giant planet and planetesimals in a protoplanetary gas disc to infer theplanetesimal mass that is accreted by the planet. Results.We find that the two shepherding processes of mean motion resonances trapping and aerodynamic gas drag inhibit plan-etesimal capture of a migrating planet. However, the amplified libration allows the highly-excited planetesimals in the resonances toescape from the resonance trap and be accreted by the planet. Consequently, we show that a migrating giant planet captures planetes-imals with total mass of several tens of Earth masses, if the planet forms at a few tens of AU in a relatively massive disc. We alsofind that planetesimal capture occurs efficiently in a limited range of semi-major axis, and that the total captured planetesimal massincreases with increasing migration distances. Our results have important implications for understanding the relation between giantplanet metallicity and mass, as we suggest that it reflects the formation location of the planet, or more precisely, the location whererunaway gas accretion occurred. We also suggest the observed metal-rich close-in Jupiters migrated to their present locations fromafar, where they formed.

研究动机与目标

• 研究向内迁移的巨型行星是否能有效吸积星子，以解释其观测到的高金属量。
• 解决理论原位吸积极限（约几倍地球质量）与轨道内侧气态巨行星观测到的重元素质量（数十倍地球质量）之间的差异。
• 考察轨道共振与气体阻力在调控星子输运至行星吸积区方面所起的综合作用。
• 确定捕获星子质量对行星质量、迁移距离及初始形成位置的依赖关系。
• 通过迁移历史将轨道内侧木星类行星的观测金属量与其形成位置联系起来。

提出的方法

• 在黏性、轴对称的原行星盘中，对迁移的巨型行星与星子进行轨道积分。
• 采用包含气体阻力的二维流体动力学模型，模拟星子的气体阻力拖曳效应。
• 引入轨道共振（MMR）捕获效应，特别是 2:1 和 3:2 MMR，以研究其对星子动力学的影响。
• 通过共振穿越与逃逸机制，追踪星子质量流入行星吸积区的流动。
• 量化总捕获星子质量随行星半长轴、质量及盘面条件的变化关系。
• 分析共振振荡幅度在实现从共振陷阱中逃逸并促进后续吸积中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 迁移的巨型行星是否能捕获足够多的星子，以解释轨道内侧系外行星中观测到的数十倍地球质量的重元素？
• RQ2 轨道共振与气体阻力如何共同影响星子输运至吸积区？
• RQ3 捕获星子质量对行星质量与迁移距离的依赖关系如何？
• RQ4 在迁移过程中，星子吸积在哪个半长轴范围内最为高效？
• RQ5 轨道内侧巨型行星的最终金属量是否反映其形成位置，特别是当它在数十 AU 外形成时？

主要发现

• 迁移的巨型行星可捕获多达数十倍地球质量的星子，足以解释观测到的轨道内侧气态巨行星的高金属量。
• 共振拖曳将主要吸积阶段延迟至行星到达约 6 AU 时才开始，从而实现星子的持续输送。
• 当行星到达约 1 AU 时，气体阻力最终通过将星子从吸积区移除而中止吸积。
• 对于质量较小的行星（0.7–1.4 M_J），3:2 轨道共振是星子输送的主要通道；而对于质量更大的行星（≥2.8 M_J），2:1 MMR 成为主要通道。
• 星子捕获效率随迁移距离增加而提高，且在中等行星质量下达到峰值，因此时共振位置最为理想。
• 当行星在数十 AU 外形成并发生向内迁移时，总捕获质量最大，从而将高金属量与远距离形成位置联系起来。