系外惑星における元素の豊富さの統計


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最近、私は炭素惑星の概念に出会いました-惑星は、地球とは異なり、酸素、シリコン、マグネシウムの代わりに炭素で主に形成されます。(私は鉄を数えていません。鉄はほとんどコアに閉じ込められています)。今、私は一般に惑星の化学組成に興味があります。惑星の化学組成の変動のトピックを調査する興味深い記事を見つけました(たとえば、ここまたはここ)が、フィールドの状態の全体像を描くことは非常に困難です。

私はこれらのことについて尋ねたいと思います:

1.地球型惑星の典型的な構成はどのようなものになると予想されますか?(たとえば、CNOサイクルまたは他の核サイクルにバインドされているときに、いくつかの要素グループが一緒に発生する多くの相関関係があると思います。)

2.地球型惑星の化学組成は、実際にはどのくらい違いますか?(つまり、すべての地球型惑星は互いにほとんど類似しているのでしょうか、それともすべての惑星系が独自の元素比を持つと予想すべきでしょうか?)


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#1に何かを供給できるかもしれませんが、#2は現時点では不明です(現在はすべての理論です(ホットな木星や太陽系の地球型惑星以外)。
ロブジェフリーズ

回答:


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系外惑星の化学的存在量の観測的決定はまだ初期段階です。地球型惑星、つまり数個の地球半径より小さいサイズのものに関しては、制約は、測定された密度(ケプラーとCoRoTによって発見された通過する惑星の質量と半径から得られる)と特定の惑星のモデルとの比較に限定されます想定される構図は次のようになります。これに関する優れた最近の例は、Dressing et al。(2015)。この論文では、すべての低質量惑星が単一の単純な2成分モデル(MgSiO 3317%の鉄、しかしこれはより高い質量で変化し、より低い密度を説明するためにより多くの揮発性元素またはかなりの水が必要である。その論文から取られた以下のプロットは、利用可能なデータを示しており、非常に最新のものでなければなりません。すべての低質量惑星(および地球と金星)がどのように同じモデルファミリーに属することができるかに注意してください。

惑星質量と半径のドレッシングから  (2015)

著者は、これがまさにすべての惑星が作られたものであると主張しているとは思わないが、現時点では、そのような構成から大きな逸脱がないように単純に説明している(例えば、単独で作られた惑星鉄の)。

この図には、小さな通過する惑星の質量を取得するのが難しいため、この図には比較的少ない惑星があります(ホスト星の惑星の引っ張りによって引き起こされるドップラーシフトの検出が必要です)。

もちろん、モデルが異なれば結果も多少異なります。例えば、ワグナー等。(2012) Kepler-10bとCoRoT-7bの同じデータと独自の詳細モデルを使用して、これらの惑星には惑星の約60%を構成する鉄のコアがあると主張しています。

現時点では、現在、最小質量の惑星のデータは、限られた量の多様性しか存在できないことを示しています。しかし、私たちが扱っている情報、サンプルサイズ、および質量と半径のみが決定されるという事実は、あまりにもまばらであり、確実ではありません。

理論的な観点からは、多くのアイデアがあります。地球型惑星の形成に関する基本的な概念は、(比較的)親星の近くに形成され、高温で原始惑星系円盤から凝縮できる元素や鉱物を反映した組成を持つことです。これは、原始惑星系円盤に存在する元素のバランス、円盤のどこで惑星が形成されるか、原始惑星系円盤の詳細な構造、どのように冷却され、どのように惑星が円盤内を移動するかに依存します。当然のことながら、これらの条件のいくつかを変えることにより、上で述べたように、入手可能な証拠とはやや矛盾しているように見える多種多様な組成の惑星を作成することができます。

これらの理論的アプローチの例は、Moriarty et al。(2014)(おなじみですが)、Carter-Bond et al参照してください。(2012)化学的多様性がどのように生じるかの例。Mg / SiおよびC / O比は、形成された惑星の最終組成に最大の影響を与えるようです。C / O比が低いと、ケイ酸塩が形成され、炭素を運ぶ化合物が少なくなります。しかし、酸素よりも炭素の方が多い場合、炭素と炭化ケイ素を形成する方が有利になります(これは「炭素惑星」の意味です)、これは惑星が形成される領域の温度にも依存します。参考までに、太陽のC / O比は0.54であり、地球の炭素の相対存在量は(太陽よりも)はるかに低くなりますが、他の星で測定されたC / O比は高くなります。


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これらの質問に対する決定的な答えを見つけるのに苦労するかもしれません。私は同じ答えを求めており、これがより具体的かつ包括的なものへの出発点として貢献することを願っています。

一般的に、元素の豊富さはそれらの質量と密接に関連しているようです。実際には、要素が重いほど、それはより少なくなります。これは、周期表のより重い元素に向かって進むにつれて、核融合プロセスに必要なエネルギー量が大幅に増加するためです。

鉄(鉄)よりも重い元素は、超新星爆発などのイベント(または同様の温度の環境)を必要とすると言われています。 。

このビデオでは、プロセスについて説明します

元素の組成に入ることなく、おそらく個々の元素の相対的な豊富さから始めて、特定の惑星に存在するそれらの確率を決定し、そこから惑星の地殻と大気で形成する形態/化学組成に入ることができます。

これは、ウィキペディアのグラフで、分光法(元素の発光および吸収スペクトルに基づく)測定に基づいた元素の相対的な量を示しています。

宇宙の元素の豊富さ ここにも示されています


プロットは、ISMまたはSunの現在の豊富な材料です。地球型惑星の豊富さは、もちろんまったく異なります(たとえば、地球の地殻にはどのくらいの水素が含まれていますか)
ロブジェフリーズ

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また、鉄より重い元素は、超新星で生成されるだけではありません。
ロブジェフリーズ

上記の私のコメントに注意してください-もちろん水中には水素があります-しかし、例えば地球では酸素よりも水素が少ないです(そしてヘリウムや他の希ガスはほとんどありません)。
ロブジェフリーズ

グラフは地殻だけでなく一般的な量をカバーするようになっているため、大部分はおそらく大気の内容です。質問の文脈では、これが少し混乱するように見えるかもしれません。超新星爆発以外で生成される鉄よりも元素はどのように重いのですか?まだ核融合でなければなりませんか?
td-lambda

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プロットは、太陽系(または、質量を支配するため、太陽)の元素の豊富さです。私の答えで概説しているように、いくつかの要素についてはまったく異なるように見えるのは、地球の惑星や地球型惑星ではありません。鉄より重い元素のおよそ50%は、巨大な星の内部の(非爆発性)sプロセスで作られています。- -しかし、あなたはその間違い作るために最初ではありませんphysics.stackexchange.com/questions/7131/...を
ロブジェフリーズ
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