論文関連の(ほぼ)個人用メモ。



arXiv:1807.06102
Heng et al. (2018)
What Does "Metallicity" Mean When Interpreting Spectra of Exoplanetary Atmospheres?
(系外惑星大気のスペクトルを解釈する際に「金属量」は何を意味するか？)

概要

天文学者はしばしば，「金属量 (metallicity)」を広い意味で用いる．

バルクの金属量のモデリングを行う際は，鉄の元素存在度を金属量とみなしている (Fe/H)．

対照的に系外惑星大気の研究者が，低分解能のハッブル宇宙望遠鏡とスピッツァー宇宙望遠鏡の分光測光観測の解析から導出した金属量について言及する時は，酸素 (O/H) と炭素 (C/H) の存在度を指している場合がある．また，最近重要度が増している窒素の存在度 (N/H) について述べている場合もある．

系外惑星観測においては，ハッブル宇宙望遠鏡の Wide Field Camera 3 は特に水に対して感度があり，またシアン化水素 HCN とアンモニアに二次的な寄与がある．一方でスピッツァー宇宙望遠鏡の測光では，メタンと一酸化炭素に感度がある．

系外惑星大気中の水の存在度の復元結果から，Kreidberg et al. (2014)，Wakeford et al. (2017, 2018)，Arcangeli et al. (2018)，Mansfield et al. (2018) などは，大気中の「金属量」と系外惑星の質量の関係を示すグラフを提示している．また，大気中のナトリウムの存在度の復元結果から，Nikolov et al. (2018) も同様のグラフを提示している．


この研究ノート執筆の動機は，惑星のバルク組成と大気中の元素存在度が等しいと仮定したとしても，大気中の水の存在度と O/H 比の間の変換は直接的でないことを実証することにある．
この主張を実証するため，炭素，水素，酸素のみを含む単純で再現性の高い大気モデルを使用した．

さらに大気は水素分子主体であることと，化学平衡，純粋なガス化学過程を仮定した．これは，窒素の存在，光化学，大気の混合と凝縮を考慮すると問題が複雑になり，また事態の改善には繋がらないからである．
従って，水の体積混合率 (相対的な存在数) は，水の数密度を水素分子 (水素原子ではなく) の数密度で割ったものとなる．

大気の鉛直混合の効果を模擬するため，圧力は 10 mbar から 10 bar までの範囲を仮定した．
これは化学平衡における水が大気のより深い領域から混合していることに類似しており，”quenching” として知られる現象である (Tsai et al. 2017)．一度高高度 (低圧) に混合されると，そこでの力学的タイムスケールは化学反応のタイムスケールよりも遥かに短いため，水の存在度は quench された値に "凍結" させることが出来るという仮定がある．


「金属量」が何を意味するのかは明確ではない．
ここでは C/H と O/H に注目する．”太陽金属量” と言った場合，O/H = 6 × 10^-4，C/H = 3 × 10^-4 であり，従って太陽の C/O 比は 0.5 となる．

これらの定義を持ってしても，「太陽金属量における水」の量は，温度と圧力に依存するステートメントである．これは，O/H = 6 × 10^-4，C/H = 3 × 10^-4 に対応する水の体積混合比の単一の値が存在しないことが原因である．

結局，水の体積混合比と O/H の間の変換係数は 1 ではなく，非平衡化学過程 (光化学や大気混合) を考慮しない場合でも，温度，圧力，O/H，C/H と C/O に依存することになる．この場合の変換係数は 1 からファクターずれる．

ここでは考慮していない非平衡化学過程や凝縮過程が，変換係数を常に 1 に戻すかどうかは不明である．従って，系外惑星の大気復元結果から示唆される「金属量」の推定値は，モデルに依存した量であると考えるのが公正な見方である．

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