論文関連の(ほぼ)個人用メモ。



arXiv:1707.00740
Berardo & Cumming (2017)
Hot Start Giant Planets Form With Radiative Interiors
(輻射的な内部を伴って形成するホットスタート巨大惑星)

概要

巨大ガス惑星のホットスタートコア降着形成モデルでは，惑星の内部は通常は全対流状態であると仮定される．ここでは，ホットスタートの外側境界条件を仮定した惑星の，詳細な内部進化の計算を行い，そのような惑星は実際には半径方向に増加する内部エントロピー分布を形成し，その結果として内部は対流的ではなく放射的になることを示す．

熱い外側境界では，降着するエンベロープが内部に滑らかに一致しなくなるような内部の adiabat のエントロピーの最小値が存在する．しかし代わりに高いエントロピーを持った物質を，成長する内部に注入する．その結果，惑星の内部での，形成中に降着する微惑星によって供給される重元素の混合が一時的に抑制される．これによって作られる組成勾配は，降着後の冷却の間の対流を阻害する可能性があり．観測される惑星の冷却曲線を変える可能性がある．

しかし，均質な組成を持ち，対流が惑星の冷却に伴って内部に発達する場合でも，冷却タイムスケールにおける違いが直接撮像されるガス惑星の質量の推定値を変える可能性がある．

研究背景

巨大ガス惑星は，~ 10 地球質量のコアにガスが暴走的に降着するコア降着か，ガス円盤からの直接崩壊によって形成されると考えられる．

若く重い巨大惑星が直接撮像観測され，そのような惑星の，形成から ~ 10⁷ 年経過後の熱的状態や，大気の組成についてが明らかにされつつある．

一方，太陽系では木星探査機ジュノー (Juno) によって，木星の重力モーメントが詳細に測定されている (Bolton et al. 2017)．これによると，木星の固体コアは希薄になっていて，木星半径の 0.3 倍程度の範囲まで広がっている事が示唆されている (Wahl et al. 2017)．この事は，コアは進化の過程で上方に混合されうることや，あるいは形成時の重元素の分布について教えてくれる．

コア降着シナリオでの主要な不明点は，暴走的降着を起こしている最中に惑星表面で形成される衝撃波の効率である (Marley et al. 2007)．落下する物質の重力エネルギーのどれだけが衝撃波部分で放射されるかに依存して，形成後の惑星の光度は桁で変化する．これによって，惑星質量の推定に不定性が生じる (Marley et al. 2007など)．
降着時に衝撃波部分からの放射損失が大きい場合は形成直後の惑星は比較的低温であり，これはコールドスタート (cold start) に対応する．逆に放射損失が非効率的な場合は多くの熱を取り込めるため形成直後の惑星は比較的高温になり，これがホットスタート (hot start) に対応する．

最近の研究では，ホットスタートがコールドスタートよりも有り得そうだという事が示唆されている．
Marleau et al. (2017) では，衝撃波の 1 次元輻射流体シミュレーションを行い，重力エネルギーの大部分は放射で失われずに惑星に飲み込まれると示唆した．Berardo et al. (2017) では，衝撃波の温度を自由パラメータとして取り扱って巨大惑星の成長を研究した．その結果，Marley et al. (2007) でのコールドスタートは，円盤の温度に近い，非常に低い境界温度を必要とすることを指摘した．この温度は，惑星の光球面の温度よりも低い．

ここでは，ホットスタートを仮定した状況でのガス惑星の暴走的降着状態の間の成長モデルを提案する．ここでは，Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA) コード (Paxton et al. 2011, 2013, 2015) を使用して，ホットスタートの境界条件で内部構造を計算した．その結果，惑星は継続してエントロピーが増加する層を形成し，対流の発達を阻害し放射的 (エネルギー輸送が放射で行われる) な内部を持つことを示す．

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