Переверните таблицу: выведите формирование планеты из формирования атмосферы

Заголовок: Интерпретация состава атмосферы экзопланет: чувствительность к предположениям об образовании планет

Авторы: Поль Мольер, Тамара Молярова, Бертрам Петш, Томас Хеннинг, Аарон Шнайдер, Лаура Крейдберг, Кристиан Эструп, Ремо Берн, Эверт Наседкин, Дмитрий Семенов, Кристоф Мордасини, Мартин Шлекер, Кампер Шварц, Сильвестр Лакур, Матиас Шварц, Матиас

Фонд первого автора: Max-Planck-Institut für Astronomie, Königstuhl 17, 69117 Гейдельберг, Германия

состояние: Приемлемо в ApJ [open access]

Один из самых больших вопросов, который волнует астрономов: «Откуда мы пришли?» Изучая ранние часы Вселенной, формирование звезд и галактик или формирование планет, вращающихся вокруг далеких звезд (экзопланет), астрономы пытаются использовать наблюдения Вселенной, чтобы собрать воедино историю, описывающую, как все должно быть таким, какое оно есть. . В течение большей части двух десятилетий астрономы, занимающиеся экзопланетами, пытались измерить молекулы, из которых состоят атмосферы экзопланет, чтобы лучше понять, как формируются эти экзопланеты. Понимание того, сколько разных экзопланет формируется, может помочь астрономам понять, как сформировалась наша Солнечная система и как возникла Земля и сама жизнь.

Однако есть некоторые проблемы, которые мешают астрономам надежно установить эти связи. Ну проблем на самом деле много. Например, атмосферы экзопланет сложно измерить, но вскоре это может измениться с запуском JWST. С другой стороны, формирование планет происходит динамично, и разные модели формирования планет могут создавать совершенно разные атмосферы. Сегодняшняя статья предоставляет новую основу для решения этой второй проблемы и показывает, как разные модели формирования планет могут привести к различным интерпретациям того, как сформировалась экзопланета HR 8799e.

Делать планеты сложно!

Планеты составляют плотную тему (интересные современные звездные объекты включают это, эту тему и содержание старого обзора), но в общих чертах: Планеты состоят из дисков газа и пыли, окружающих молодые звезды, называемых «протопланетными дисками». .” Планеты-гиганты, такие как Юпитер, образуются, когда достаточно большие скалистые ядра (путем столкновения с другими породами) превращаются в пустой газ из протопланетного диска.

Время и место, где формирующаяся планета сбрасывает свой газ, будут иметь значение для молекул, которые окажутся в ее атмосфере. Это связано с тем, что чем дальше от центральной звезды в диске, тем диск становится холоднее, и частицы, которые когда-то были газообразными, могут конденсироваться, превращаться в лед и становиться твердыми. Это «ледяные линии» внутри протопланетного диска (см. красную линию на рис. 1). Около десяти лет назад исследование показало, что отношение атомов углерода к атомам кислорода в атмосфере экзопланеты может указывать на линии льда, которые образовались между ними, потому что замерзание воды, углекислого газа и окиси углерода изменяет соотношение этих два элемента. в дисковом газе. Это исследование показало, что если бы можно было измерить отношение C/O экзопланеты, то астрономы могли бы выяснить, где сформировался протопланетный диск.

Как говорится в сегодняшней газете, все не так просто. Одним из примеров, используемых в статье, является тот факт, что, как только формируется экзопланета, химический состав диска меняется со временем, поскольку диск нагревается вновь родившейся звездой и разрушается вновь родившейся планетой. На рисунке 1 показано отношение C/O по всему диску как для статической модели, представленной в предыдущем исследовании, так и для моментальных снимков времени эволюции диска, например, монооксид углерода превращается в диоксид углерода под действием тепла звезды.

Рисунок 1: Соотношение углерода и кислорода в протопланетном диске в зависимости от расстояния и времени. По оси абсцисс отложено расстояние (а) от центральной звезды с линиями льда для H2O, CO2 и CO, а по оси y отложено отношение углерода к кислороду. Цветовая градация линий от темно-синего до светло-желтого указывает на изменение во времени модели, которая предполагает, что химические вещества в диске эволюционируют по мере того, как он нагревается центральной звездой. Этот график показывает, что может быть непросто предсказать, где в протопланетном диске сформировалась планета, основываясь на соотношении C/O, поскольку могут быть разные значения по оси x для одного значения по оси y. кредит изображения: Рисунок 3 в Mollère et al. (2022)

переворачивание таблицы (или «переворачивание модели конфигурации»)

Это исследование не безнадежно: сегодняшняя статья стремилась обеспечить структуру, в рамках которой различные предположения и неопределенности, упомянутые выше, можно сравнить с доступными атмосферными измерениями, чтобы описать значимые связи между модельными наблюдениями и прогнозами.

Настоящая проблема заключается в том, что эти сложные модели формирования планет требуют набора предположений в качестве входных данных и дают предсказанные атмосферные измерения планеты в качестве выходных данных. Астрономы измеряют результат, поэтому модели необходимо «перевернуть», чтобы определить место образования планеты. Что делает новая структура в сегодняшней статье, так это создает несколько разных моделей с разными входными параметрами и сравнивает их выходные данные с измеренным содержанием данной экзопланеты, чтобы увидеть, какие входные данные модели приводят к наиболее близкому совпадению измерений. Они могут сделать это для разных моделей, а затем сравнить наиболее подходящие входные параметры между моделями. Это позволяет им изучить, какие модели предсказывают происхождение конкретной экзопланеты.

Откуда HR 8799e получает углерод и кислород?

HR 8799e — самая глубокая газовая планета-гигант в системе из четырех планет-гигантов. В сегодняшней статье используется новая структура HR 8799e, и показано, как изменение во времени химических веществ в протопланетном диске и движение небольших камней по диску во время формирования планеты меняет предсказанную дату образования планеты.

Атмосфера HR 8799e ранее изучалась по данным прибора VLTI/GRAVITY. Это исследование показало, что отношение C/O на планете составляет 0,6 (т. е. 6 атомов углерода на каждые 10 атомов кислорода). Они используют это измерение и свою новую структуру анализа для сравнения упрощенной модели протопланетного диска и химически эволюционировавшего диска.

Их результаты показывают, что простая модель предсказывает, что HR 8799e сформировалась либо внутри линии льда H20 (очень близко к своей родительской звезде), либо за пределами линии льда CO (далеко). В обоих случаях планета теперь вращается в середине этих двух крайних точек, что указывает на то, что она, должно быть, мигрировала из того места, где она первоначально образовалась (см. рис. 2, левая панель). Однако модель химически эволюционировавшего диска делает несколько иной прогноз, указывая на то, что по мере химической эволюции диска наиболее вероятное место образования HR 8799e перемещается внутрь из-за линии льда CO в его внутреннюю часть (см. Рисунок 2, правая панель). Это может указывать на то, что, в зависимости от того, когда HR 8799e начал формироваться относительно химической эволюции диска, ему может не понадобиться мигрировать, чтобы достичь своего текущего местоположения.

Рисунок 2: Место происхождения отношения C/O для HR 8799e. Левый график показывает, насколько вероятно, что твердые тела, из которых состоит планета, возникли из определенного места протопланетного диска более простой модели для рассмотрения. Наиболее вероятные местоположения находятся в пределах линии льда H2O и за пределами линии льда CO, но по сравнению с текущим местоположением HR 8799 это, по-видимому, указывает на то, что планета мигрировала далеко от того места, где она сформировалась. Правильный график показывает химически эволюционировавшее состояние диска, и окончательный вывод состоит в том, что, хотя наиболее вероятное место для раннего образования HR 8799 такое же, как и в случае простой модели, по мере изменения химии диска, скорее всего, где форма планеты меняется – становится более вероятным, что планета сформировалась внутри линии льда CO и лишь немного мигрировала к своему нынешнему местоположению. кредит изображения: Рисунок 5 в Mollère et al. (2022)

Сегодняшний Astrobite представляет собой сложный отчет об археологии экзопланет и исследует различные предположения, которые могут изменить то, как астрономы выводят историю формирования экзопланет. С новыми и улучшенными открытиями атмосферы на горизонте (привет, JWST!) эта новая структура для сравнения моделей формирования окажется полезным инструментом, помогающим астрономам разгадать тайну того, как и где формируются экзопланеты и, возможно, в конечном итоге, как мы получили здесь.

Astrobite под редакцией Ленни Сааде

Избранное изображение: «Прибор GRAVITY открывает новые горизонты в визуализации экзопланет HR 8799e» Иллюстрация ESO/L. Calcada/SpaceEngine, под редакцией Уильяма Палмера

О Уильяме Палмере

Уильям Палмер (они/они) — аспирант JHU/STScI, изучающий формирование, эволюцию и формирование планет-гигантов, коричневых карликов и звезд с очень малой массой. Они любят читать, играть в настольные игры, кататься на велосипеде и заниматься астрофотографией.

Leave a Comment