[P-PS07] 惑星科学

[PPS07-P09] 太陽系外サブネプチューンの進化：大気散逸と金属コアからの水素再補充の影響

*小林 一生¹、黒川 宏之²、奥住 聡¹ (1.東京工業大学地球惑星科学系、2.東京工業大学地球生命研究所)

キーワード：系外惑星形成、系外惑星進化、系外惑星大気

地球と海王星の間のサイズを持つサブネプチューンは，太陽系外で最も多く発見されている惑星である．サブネプチューンは水素に富んだ大気を持ち，岩石のみで構成された惑星と比べて低い密度を持つ．観測されているサブネプチューンの多くは軌道周期が100日以下である．このような短周期のサブネプチューンは恒星からの強いXUV照射によって大気の散逸が激しく，惑星の年齢より短い時間スケールですべての大気を失うと考えられている．したがって，これらの惑星の存在は現在の理論モデルでは説明ができない．
過去の研究では，マグマオーシャン中への溶解水素が大気中の水素を補うとしてサブネプチューンの大気の説明を試みた(Chachan & Stevenson 2018)．しかし，この効果は観測を説明するには不十分であった(Modirrousta-Galian et al. 2020)．一方で，地球形成の研究においては，マグマオーシャンと比較してコアに数十倍の水素が分配されうる可能性が示されている(Tagawa et al. 2021)．
本研究では金属コアに溶解する水素が散逸する大気を補う影響に着目した．我々は，一次元内部構造モデルを用いてマグマオーシャンと金属コアからの水素供給を考慮した惑星の熱進化および質量進化計算を行った．その結果，金属コア中の溶解水素が大気を補う効果によって，サブネプチューンの大気寿命が従来モデルと比較して10倍以上に伸びる場合があることを明らかにした．特に，コアとマグマオーシャンの境界面が長期間に渡り溶融状態にある場合，コアからの水素流出の効果は大きくなる．我々は，本モデルを用いて観測されている系外サブネプチューンとの比較を行うことで，多数のサブネプチューンにおける大気の存在が金属コアからの水素流出によって説明できるかもしれないことを示唆した．
実際に観測されている惑星で金属コアからの水素の流出が起こっているのかどうかを確認するためには，He/H比を観測する必要がある．本研究で用いたモデルは水素の分配係数などの不定性の大きなパラメータに強く依存する．サブネプチューン進化において惑星内部からの水素供給の役割をより正確に理解するためには，このようなパラメータを制約するための実験室実験，数値シミュレーションが必要不可欠である．

参考文献:
Chachan, Y., & Stevenson, D. J. 2018, ApJ, 854, 21.
Modirrousta-Galian, D., Locci, D., Tinetti, G., & Micela, G. 2020, ApJ, 888, 87
Tagawa, S., Sakamoto, N., Hirose, K., et al. 2021, Nature Communications, 12, 2588