The Interior Structure, Composition, and Evolution of Giant Planets

Abstract

We discuss our current understanding of the interior structure and thermal evolution of giant planets. This includes the gas giants, such as Jupiter and Saturn, that are primarily composed of hydrogen and helium, as well as the “ice giants,” such as Uranus and Neptune, which are primarily composed of elements heavier than H/He. The effect of different hydrogen equations of state (including new first-principles computations) on Jupiter’s core mass and heavy element distribution is detailed. This variety of the hydrogen equations of state translate into an uncertainty in Jupiter’s core mass of 18M . For Uranus and Neptune we find deep envelope metallicities up to 0.95, perhaps indicating the existence of an eroded core, as also supported by their low luminosity. We discuss the results of simple cooling models of our solar system’s planets, and show that more complex thermal evolution models may be necessary to understand their cooling history. We review how measurements of the masses and radii of the nearly 50 transiting extrasolar giant planets are changing our understanding of giant planets. In particular a fraction of these planets appear to be larger than can be accommodated by standard models of planetary contraction. We review the proposed explanations for the radii of these planets. We also discuss very young giant planets, which are being directly imaged with ground- and space-based telescopes.

This is a preview of subscription content, log in to check access.

References

  1. Y. Alibert, O. Mousis, C. Mordasini, W. Benz, Astrophys. J. 626, L57 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. P. Arras, A. Socrates, Astrophys. J., astro-ph/0901.0735 (2009, submitted)

  3. G.Á. Bakos, G. Torres, A. Pál, J. Hartman, G. Kovács, R.W. Noyes, D.W. Latham, D.D. Sasselov, B. Sipőcz, G.A. Esquerdo, D.A. Fischer, J.A. Johnson, G.W. Marcy, R.P. Butler, H. Isaacson, A. Howard, S. Vogt, G. Kovács, J. Fernandez, A. Moór, R.P. Stefanik, J. Lázár, I. Papp, P. Sári, Astrophys. J. (2009, submitted). 0901.0282 [astro-ph]

  4. I. Baraffe, G. Chabrier, F. Allard, P.H. Hauschildt, Astron. Astrophys. 382, 563 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. I. Baraffe, G. Chabrier, T.S. Barman, F. Allard, P.H. Hauschildt, Astron. Astrophys. 402, 701 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. I. Baraffe, F. Selsis, G. Chabrier, T.S. Barman, F. Allard, P.H. Hauschildt, H. Lammer, Astron. Astrophys. 419, L13 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. I. Baraffe, Y. Alibert, G. Chabrier, W. Benz, Astron. Astrophys. 450, 1221 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. P. Bodenheimer, Icarus 29, 165 (1976)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. P. Bodenheimer, D.N.C. Lin, R.A. Mardling, Astrophys. J. 548, 466 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. A. Burkert, D.N.C. Lin, P.H. Bodenheimer, C.A. Jones, H.W. Yorke, Astrophys. J. 618, 512 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. A. Burrows, M. Marley, W.B. Hubbard, J.I. Lunine, T. Guillot, D. Saumon, R. Freedman, D. Sudarsky, C. Sharp, Astrophys. J. 491, 856 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. A. Burrows, T. Guillot, W.B. Hubbard, M.S. Marley, D. Saumon, J.I. Lunine, D. Sudarsky, Astrophys. J. 534, L97 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. A. Burrows, D. Sudarsky, W.B. Hubbard, Astrophys. J. 594, 545 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. A. Burrows, I. Hubeny, J. Budaj, W.B. Hubbard, Astrophys. J. 661, 502 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. G. Chabrier, I. Baraffe, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 38, 337 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. G. Chabrier, I. Baraffe, Astrophys. J. 661, L81 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. G. Chabrier, D. Saumon, W.B. Hubbard, J.I. Lunine, Astrophys. J. 391, 817 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. G. Chabrier, I. Baraffe, F. Selsis, T.S. Barman, P. Hennebelle, Y. Alibert, in Protostars and Planets V, ed. by B. Reipurth, D. Jewitt, K. Keil (2007) p. 623

  19. D. Charbonneau, T.M. Brown, D.W. Latham, M. Mayor, Astrophys. J. 529, L45 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. G. Chauvin, A.-M. Lagrange, C. Dumas, B. Zuckerman, D. Mouillet, I. Song, J.-L. Beuzit, P. Lowrance, Astron. Astrophys. 438, L25 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. B.J. Conrath, D. Gautier, Icarus 144, 124 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. W.C. Demarcus, Astron. J. 63, 2 (1958)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. D. Deming, S. Seager, L.J. Richardson, J. Harrington, Nature 434, 740 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. D.C. Fabrycky, E.T. Johnson, J. Goodman, Astrophys. J. 665, 754 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. J.J. Fortney, W.B. Hubbard, Icarus 164, 228 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. J.J. Fortney, W.B. Hubbard, Astrophys. J. 608, 1039 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. J.J. Fortney, M.S. Marley, J.W. Barnes, Astrophys. J. 659, 1661 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. J.J. Fortney, D. Saumon, M.S. Marley, K. Lodders, R.S. Freedman, Astrophys. J. 642, 495 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. M. French, T.R. Mattsson, N. Nettelmann, R. Redmer, Phys. Rev. B 79, 054107 (2009a)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. M. French, T.R. Mattsson, N. Nettelmann, R. Redmer, Phys. Rev. B 79, 054107 (2009b)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. F. Fressin, T. Guillot, V. Morello, F. Pont, Astron. Astrophys. 475, 729 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. F. Fressin, T. Guillot, N. Lionel, Astron. Astrophys. 504, 605 (2009). 0901.3083 [astro-ph]

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. D. Gautier, B.J. Conrath, T. Owen, I. de Pater, S.K. Atreya, in Neptune and Triton, ed. by D.P. Cruikshank, M.S. Matthews, A.M. Schumann (1995) p. 547

  34. M. Gillon, F. Pont, B.-O. Demory, F. Mallmann, M. Mayor, T. Mazeh, D. Queloz, A. Shporer, S. Udry, C. Vuissoz, Astron. Astrophys. 472, L13 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. H.C. Graboske, R.J. Olness, J.B. Pollack, A.S. Grossman, Astrophys. J. 199, 265 (1975)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. A.S. Grossman, J.B. Pollack, R.T. Reynolds, A.L. Summers, H.C. Graboske, Icarus 42, 358 (1980)

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. P.-G. Gu, G.I. Ogilvie, Mon. Not. R. Astron. Soc. 395, 422 (2009). arXiv:0901.3401

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. T. Guillot, Planet. Space Sci. 47, 1183 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. T. Guillot, Phys. Scripta  T 130, 014023 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. T. Guillot, A.P. Showman, Astron. Astrophys. 385, 156 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. T. Guillot, D. Gautier, G. Chabrier, B. Mosser, Icarus 112, 337 (1994)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. T. Guillot, G. Chabrier, D. Gautier, P. Morel, Astrophys. J. 450, 463 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. T. Guillot, A. Burrows, W.B. Hubbard, J.I. Lunine, D. Saumon, Astrophys. J. 459, L35 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. T. Guillot, D.J. Stevenson, W.B. Hubbard, D. Saumon, The interior of Jupiter (Jupiter. The Planet, Satellites and Magnetosphere) (2004) p. 35

  45. T. Guillot, N.C. Santos, F. Pont, N. Iro, C. Melo, I. Ribas, Astron. Astrophys. 453, L21 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  46. B.M.S. Hansen, T. Barman, Astrophys. J. 671, 861 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. G.W. Henry, G.W. Marcy, R.P. Butler, S.S. Vogt, Astrophys. J. 529, L41 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. N.C. Holmes, M. Ross, W.J. Nellis, Phys. Rev. B 52, 15835 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. W.B. Hubbard, Astrophys. J. 152, 745 (1968)

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. W.B. Hubbard, Space Sci. Rev. 14, 424 (1973)

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. W.B. Hubbard, Icarus 30, 305 (1977)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. W.B. Hubbard, Icarus 52, 509 (1982)

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. W.B. Hubbard, H.E. Dewitt, Astrophys. J. 290, 388 (1985)

    Article  ADS  Google Scholar 

  54. W.B. Hubbard, M.S. Marley, Icarus 78, 102 (1989)

    Article  ADS  Google Scholar 

  55. W.B. Hubbard, M. Podolak, D.J. Stevenson, in Neptune and Triton, ed. by D.P. Kruikshank (Univ. of Arizona Press, Tucson, 1995), p. 109

    Google Scholar 

  56. W.B. Hubbard, T. Guillot, M.S. Marley, A. Burrows, J.I. Lunine, D.S. Saumon, Planet. Space Sci. 47, 1175 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  57. W.B. Hubbard, A. Burrows, J.I. Lunine, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 40, 103 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. W.B. Hubbard, M.F. Hattori, A. Burrows, I. Hubeny, Astrophys. J. Lett. 658, L59 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. O. Hubickyj, P. Bodenheimer, J.J. Lissauer, Icarus 179, 415 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. L. Ibgui, A. Burrows, Astrophys. J. 700, 1921 (2009). arXiv:0902.3998

    Article  ADS  Google Scholar 

  61. M. Ikoma, T. Guillot, H. Genda, T. Tanigawa, S. Ida, Astrophys. J. 650, 1150 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  62. N. Iro, B. Bezard, T. Guillot, Astron. Astrophys. 436, 719 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  63. B. Jackson, R. Greenberg, R. Barnes, Astrophys. J. 678, 1396 (2008a)

    Article  ADS  Google Scholar 

  64. B. Jackson, R. Greenberg, R. Barnes, Astrophys. J. 681, 1631 (2008b)

    Article  ADS  Google Scholar 

  65. P. Kalas, J.R. Graham, E. Chiang, M.P. Fitzgerald, M. Clampin, E.S. Kite, K. Stapelfeldt, C. Marois, J. Krist, Science 322, 1345 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  66. G.I. Kerley, Los Alamos Scientific Laboratory Report LA-4776 (1972)

  67. G.I. Kerley, Sandia Report, SAND2003-3613, Sandia National Laboratory, Albuquerque, NM 87185 (2003)

  68. G.I. Kerley, Research Rep., KTS-04-2 (2004a)

  69. G.I. Kerley, Research Rep., KTS-04-1 (2004b)

  70. G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  71. G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B 47, 558 (1993a)

    Article  ADS  Google Scholar 

  72. G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B 48, 13115 (1993b)

    Article  ADS  Google Scholar 

  73. B. Levrard, A.C.M. Correia, G. Chabrier, I. Baraffe, F. Selsis, J. Laskar, Astron. Astrophys. 462, L5 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  74. B. Levrard, C. Winisdoerffer, G. Chabrier, Astrophys. J. 692, L9 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  75. D.N.C. Lin, P. Bodenheimer, D.C. Richardson, Nature 380, 606 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  76. J. Liu, P.M. Goldreich, D.J. Stevenson, Icarus 196, 653 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  77. W. Lorenzen, B. Holst, R. Redmer, Phys. Rev. Lett. 102, 115701 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  78. P.R. Mahaffy, H.B. Niemann, A. Alpert, S.K. Atreya, J. Demick, T.M. Donahue, D.N. Harpold, T.C. Owen, J. Geophys. Res. 105, 15061 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  79. M.S. Marley, J.J. Fortney, O. Hubickyj, P. Bodenheimer, J.J. Lissauer, Astrophys. J. 655, 541 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  80. C. Marois, B. Macintosh, T. Barman, B. Zuckerman, I. Song, J. Patience, D. Lafreniere, R. Doyon, Science 322, 1348 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  81. S. Matousek, Acta Astronaut. 61, 932 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  82. M. Mayor, D. Queloz, Nature 378, 355 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  83. B. Militzer, W.B. Hubbard, J. Vorberger, I. Tamblyn, S.A. Bonev, Astrophys. J. 688, L45 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  84. N. Miller, J.J. Fortney, B. Jackson, Astrophys. J. 702, 1413 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  85. M.A. Morales, E. Schwegler, D.M. Ceperley, C. Pierleoni, S. Hamel, K. Caspersen, PNAS 106, 1324 (2009). arXiv:0903.0980

    Article  ADS  Google Scholar 

  86. R. Murray-Clay, E. Chiang, N. Murray, Astrophys. J. 693, 23 (2009). arXiv:0811.0006

    Article  ADS  Google Scholar 

  87. T. Nakajima, B.R. Oppenheimer, S.R. Kulkarni, D.A. Golimowski, K. Matthews, S.T. Durrance, Nature 378, 463 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  88. N. Nettelmann, B. Holst, A. Kietzmann, M. French, R. Redmer, D. Blaschke, Astrophys. J. 683, 1217 (2008a)

    Article  ADS  Google Scholar 

  89. N. Nettelmann, U. Kramm, R. Redmer, R. Neuhäuser, Astron. Astrophys. 683, 1217 (2008b)

    Google Scholar 

  90. S.J. Peale, in Astronomical Society of the Pacific Conference Series, vol. 398, ed. by D. Fischer, F.A. Rasio, S.E. Thorsett, A. Wolszczan (2008) p. 281

  91. M. Podolak, A.G.W. Cameron, Icarus 22, 123 (1974)

    Article  ADS  Google Scholar 

  92. J.B. Pollack, A.S. Grossman, R. Moore, H.C. Graboske, Icarus 30, 111 (1977)

    Article  ADS  Google Scholar 

  93. J.B. Pollack, O. Hubickyj, P. Bodenheimer, J.J. Lissauer, M. Podolak, Y. Greenzweig, Icarus 124, 62 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  94. D. Saumon, G. Chabrier, H.M.V. Horn, Astrophys. J. Suppl. 99, 713 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  95. D. Saumon, T. Guillot, Astrophys. J. 609, 1170 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  96. D.J. Stevenson, Phys. Rev. B 12, 3999 (1975)

    Article  ADS  Google Scholar 

  97. D.J. Stevenson, Planet. Space Sci. 30, 755 (1982)

    Article  ADS  Google Scholar 

  98. D.J. Stevenson, Icarus 62, 4 (1985)

    Article  ADS  Google Scholar 

  99. D.J. Stevenson, E.E. Salpeter, Astrophys. J. Suppl. 35, 239 (1977a)

    Article  ADS  Google Scholar 

  100. D.J. Stevenson, E.E. Salpeter, Astrophys. J. Suppl. 35, 221 (1977b)

    Article  ADS  Google Scholar 

  101. J. Vorberger, I. Tamblyn, B. Militzer, S. Bonev, Phys. Rev. B 75, 024206 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  102. J.N. Winn, M.J. Holman, Astrophys. J. Lett. 628, L159 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  103. M.H. Wong, P.R. Mahaffy, S.K. Atreya, H.B. Niemann, T.C. Owen, Icarus 171, 153 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  104. V.N. Zharkov, V.P. Trubitsyn, Physics of Planetary Interiors. Astron. Astrophys. Series (Pachart, Tucson, 1978)

    Google Scholar 

Download references

Author information

Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Jonathan J. Fortney.

Additional information

Both authors contributed equally to this work.

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Cite this article

Fortney, J.J., Nettelmann, N. The Interior Structure, Composition, and Evolution of Giant Planets. Space Sci Rev 152, 423–447 (2010). https://doi.org/10.1007/s11214-009-9582-x

Download citation

  • Giant planet interiors
  • Exoplanets