AERONOMIC MODEL OF HYDROGEN-HELIUM UPPER ATMOSPHERES OF HOT GIANT EXOPLANETS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents 1D aeronomic model of hydrogen-helium upper atmospheres of hot giant exoplanets based on the approximation of single-fluid multicomponent hydrodynamics. Chemical reactions and heating-cooling processes are taken into account. Typical hot Jupiter and warm Neptune are considered as an example of the application of the model. Calculations were carried out for various values of gas pressure at the photometric radius of the planet. In the solutions obtained, a transonic planetary wind is formed, leading to a hydrodynamic outflow of the atmosphere with mass loss rates of the order of \(3.5 \times {{10}^{{10}}}\) g/s for hot Jupiter and \(3.7 \times {{10}^{9}}\) g/s for warm Neptune. At the same time, the outer layers of the atmosphere of hot Jupiter are completely ionized, while the atmosphere of warm Neptune mainly consists of neutral gas. In some variants of the hot Jupiter model, instability develops in the deep layers of the atmosphere, which can lead to the formation of a specific cloud layer.

About the authors

A. G. Zhilkin

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: zhilkin@inasan.ru
Russia, Moscow

Y. G. Gladysheva

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences

Email: zhilkin@inasan.ru
Russia, Moscow

V. I. Shematovich

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences

Email: zhilkin@inasan.ru
Russia, Moscow

D. V. Bisikalo

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences; National center of physics and mathematics

Email: zhilkin@inasan.ru
Russia, Moscow; Russia, Sarov

References

  1. N. Madhusudhan, M. Agundez, J. L. Moses, and Y. Hu, Space Sci. Rev. 205 (1–4), 285 (2016).
  2. L. D. Deming and S. Seager, J. Geophys. Res. Planets 122, 53 (2017).
  3. R. Hobbs, O. Shorttle, N. Madhusudhan, and P. Rimmer, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 487, 2242 (2019).
  4. R. I. Dawson and J. A. Johnson, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 56, 175 (2018).
  5. S.-J. Paardekooper and A. Johansen, Space Sci. Rev. 214, 38 (2018).
  6. S. Dash, M. Liton, K. Willacy, S.-M. Tsai, et al., Astrophys. J. 932, id. 20 (2022).
  7. B. Drummond, P. Tremblin, I. Baraffe, D. S. Amundsen, N. J. Mayne, O. Venot, and J. Goyal, Astron. and Astrophys. 594, id. A69 (2016).
  8. S.-M. Tsai, J. R. Lyons, L. Grosheintz, P. B. Rimmer, D. Kitzmann, and K. Heng, Astrophys. J. Suppl. 228 (2), id. 20 (2017).
  9. E. K. H. Lee, S.-M. Tsai, M. Hammond, and X. Tan, Astron. and Astrophys. 672, id. A110 (2023).
  10. A. P. Showman, J. J. Fortney, Y. Lian, M. S. Marley, R. S. Freedman, H. A. Knutson, and D. Charbonneau, Astrophys. J. 699 (1), 564 (2009).
  11. J. I. Moses, C. Visscher, J. J. Fortney, A. P. Showman, et al., Astrophys. J. 737 (1), id. 15 (2011).
  12. B. Drummond, N. J. Mayne, J. Manners, A. L. Carter, et al., Astrophys. J. Letters 855 (2), id. L31 (2018).
  13. Д. В. Бисикало, В. И. Шематович, П. В. Кайгородов, А. Г. Жилкин, Успехи физ. наук 191 (8), 785 (2021).
  14. J. E. Owen, R. A. Murray-Clay, E. Schreyer, H. E. Schli-chting, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 518, 4357 (2023).
  15. R. Yelle, H. Lammer, and W.-H. Ip, Space Sci. Rev. 139, 437 (2008).
  16. R. V. Yelle, Icarus 170, 167 (2004).
  17. A. Garcia Muñoz, Planet. Space Sci. 55 (10), 1426 (2007).
  18. T. T. Koskinen, M. J. Harris, R. V. Yelle, and P. Lavvas, Icarus 226, 1678 (2013).
  19. T. T. Koskinen, R. V. Yelle, M. J. Harris, and P. Lavvas, Icarus 226, 1695 (2013).
  20. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, Y. L. Sasunov, H. Lammer, K. G. Kislyakova, and N. V. Erkaev, Astrophys. J. 795 (2), id. 132 (2014).
  21. D. Bisikalo, P. Kaygorodov, D. Ionov, V. Shematovich, H. Lammer, and L. Fossati, Astrophys. J. 764 (1), id. 19 (2013).
  22. V. I. Shematovich, D. E. Ionov, and H. Lammer, Astron. and Astrophys. 571, id. A94 (2014).
  23. D. E. Ionov, Y. N. Pavlyuchenkov, and V. I. Shematovich, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 476, 5639 (2018).
  24. A. Garcia Muñoz, Icarus 392, id. 115373 (2023).
  25. H. Lammer, J. F. Kasting, E. Chassefiere, R. E. Johnson, Y. N. Kulikov, and F. Tian, Space Sci. Rev. 139 (1–4), 399 (2008).
  26. B. J. Fulton, E. A. Petigura, A. W. Howard, H. Isaacson, et al., Astron. J. 154 (3), id. 109 (2017).
  27. T. Mazeh, T. Holczer, and S. Faigler, Astron. and Astrophys. 589, id. A75 (2016).
  28. T. A. Berger, D. Huber, E. Gaidos, and J. L. van Saders, Astrophys. J. 866, id. 99 (2018).
  29. J. E. Owen, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, L. Fossati, and M. L. Khodachenko, Space Sci. Rev. 216 (8), id. 129 (2020).
  30. A. Vidal-Madjar, A. Lecavelier des Etangs, J.-M. Desert, G. E. Ballester, et al., Nature 422, 143 (2003).
  31. J. L. Linsky, H. Yang, K. France, C. S. Froning, J. C. Green, J. T. Stocke, and S. N. Osterman, Astrophys. J. 717, 1291 (2010).
  32. A. Lecavelier des Etangs, V. Bourrier, P. J. Wheatley, H. Dupuy, et al., Astron. and Astrophys. 543, id. L4 (2012).
  33. L. Ben-Jaffel and G. E. Ballester, Astron. and Astrophys. 553, id. A52 (2013).
  34. D. Ehrenreich, V. Bourrier, P. J. Wheatley, A. Lecavelier des Etangs, et al., Nature 522 (7557), 459 (2015).
  35. V. Bourrier, A. Lecavelier des Etangs, D. Ehrenreich, J. Sanz-Forcada, et al., Astron. and Astrophys. 620, id. A147 (2018).
  36. J. J. Spake, D. K. Sing, T. M. Evans, A. Oklopić, et al., Nature 557 (7703), 68 (2018).
  37. D. K. Sing, P. Lavvas, G. E. Ballester, A. Lecavelier des Etangs, et al., Astron. J. 158 (2), id. 91 (2019).
  38. J. E. Owen, Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 47, 67 (2019).
  39. J. M. Chadney, T. T. Koskinen, M. Galand, Y. C. Unruh, and J. Sanz-Forcada, Astron. and Astrophys. 608, id. A75 (2017).
  40. M. Lampón, M. López-Puertas, L. M. Lara, A. Sánchez-López, et al., Astron. and Astrophys. 636, id. A13 (2020).
  41. T. T. Koskinen, P. Lavvas, C. Huang, G. Bergsten, R. B. Fer-nandes, and M. E. Young, Astrophys. J. 929 (1), id. 52 (2022).
  42. R. O. P. Loyd, T. T. Koskinen, K. France, C. Schneider, and S. Redfield, Astrophys. J. Letters 834 (2), id. L17 (2017).
  43. M. Mansfield, J. L. Bean, A. Oklopić, L. Kreidberg, et al., Astrophys. J. Letters 868 (2), id. L34 (2018).
  44. H. Lammer, F. Selsis, I. Ribas, E. F. Guinan, S. J. Bauer, and W. W. Weiss, Astrophys. J. 598 (2), L121 (2003).
  45. D. Kubyshkina, L. Fossati, N. V. Erkaev, P. E. Cubillos, et al., Astrophys. J. Letters 866 (2), id. L18 (2018).
  46. E. D. Lopez, J. J. Fortney, and N. Miller, Astrophys. J. 761, id. 59 (2012).
  47. J. E. Owen and Y. Wu, Astrophys. J. 847, id. 29 (2017).
  48. L. Ben-Jaffel, Astrophys. J. 671, L61 (2007).
  49. L. Ben-Jaffel and S. Sona Hosseini, Astrophys. J. 709, 1284 (2010).
  50. A. Vidal-Madjar, J. Desert, A. Lecavelier des Etangs, G. Hérard, et al., Astrophys. J. 604 (1), L69 (2004).
  51. A. Oklopić and C. M. Hirata, Astrophys. J. Letters 855(1), id. L11 (2018).
  52. E. N. Parker, Astrophys. J. 128, 664 (1958).
  53. R. A. Murray-Clay, E. I. Chiang, and N. Murray, Astrophys. J. 693, 23 (2009).
  54. J. H. Guo, Astrophys. J. 733, id. 98 (2011).
  55. D. E. Ionov, V. I. Shematovich, and Ya. N. Pavlyuchenkov, Astron. Rep. 61, 387 (2017).
  56. F. Tian, O. B. Toon, A. A. Pavlov, and H. De Sterck, Astrophys. J. 612, 1049 (2005).
  57. T. Penz, N. V. Erkaev, Yu. N. Kulikov, D. Langmayr, et al., Planet. Space Sci. 56 (9), 1260 (2008).
  58. T. T. Koskinen, J. Y-K. Cho, N. Achilleos, and A. D. Aylward, Astrophys. J. 722, 178 (2010).
  59. A. S. Arakcheev, A. G. Zhilkin, P. V. Kaigorodov, D. V. Bi-sikalo, and A. G. Kosovichev, Astron. Rep. 61, 932 (2017).
  60. A. G. Zhilkin and D. V. Bisikalo, Astron. Rep. 63, 550 (2019).
  61. A. G. Zhilkin, D. V. Bisikalo, and P. V. Kaygorodov, Astron. Rep. 64, 259 (2020).
  62. A. G. Zhilkin and D. V. Bisikalo, Astron. Rep. 64, 563 (2020).
  63. A. G. Zhilkin and D. V. Bisikalo, Universe 7, 422 (2021).
  64. A. G. Zhilkin, Astron. Rep. 67, 307 (2023).
  65. A. G. Zhilkin, Y. G. Gladysheva, and D. V. Bisikalo, I-NASAN Sci. Rep. 8, 26 (2023).
  66. D. McElroy, C. Walsh, A. J. Markwick, M. A. Cordiner, K. Smith, and T. J. Millar, Astron. and Astrophys. 550, id. A36 (2013).
  67. G. B. Trammell, P. Arras, and Z.-Y. Li, Astrophys. J. 728, id. 152 (2011).
  68. Y. B. Zel’dovich and Y. P. Raizer, Physics of shock waves and high-temperature hydrodynamic phenomena, edited by W. D. Hayes and R. F. Probstein (New York: Acad. press, 1967).
  69. W. F. Huebner and J. Mukherjee, Planet. Space Sci. 106, 11 (2015).
  70. T. N. Woods, G. J. Rottman, S. M. Bailey, S. C. Solomon, and J. R. Worden, Solar Phys. 177 (1–2), 133 (1998).
  71. L. Spitzer, Astrophys. J. 109, 337 (1949).
  72. N. G. Bochkarev, Fundamentals of Interstellar medium Physics (Moscow: MSU Press, 1992).
  73. A. Dalgarno and R. A. McCray, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 10, 375 (1972).
  74. L. Spitzer, Physical processes in the interstellar medium (New York: Wiley-Interscience, 1978).
  75. S. Miller, T. Stallard, J. Tennyson, and H. Melin, J. Phys. Chem. A 117, 9770 (2013).
  76. Д. В. Бисикало, А. Г. Жилкин, А. А. Боярчук, Газодинамика тесных двойных звезд (М.: Физматлит, 2013).
  77. Y. G. Gladysheva, A. G. Zhilkin, and D. V. Bisikalo, I-NASAN Sci. Rep. 7, 195 (2022).
  78. E. N. Parker, Astrophys. J. 132, 821 (1960).
  79. R. S. Steinolfson and F. J. Hundhausen, J. Geophys. Res. 93, 14269 (1988).
  80. I. I. Roussev, T. I. Gombosi, and I. V. Sokolov, Astrophys. J. 595, L57 (2003).
  81. T. L. Totten, J. W. Freeman, and S. Arya, J. Geophys. Res. 100, 13 (1995).
  82. G. B. Field, Astrophys. J. 142, 531 (1965).
  83. T. Yoneyama, Publ. Astron. Soc. Japan 25, 349 (1973).
  84. C. K. Harada, E. M.-R. Kempton, E. Rauscher, M. Roman, I. Malsky, M. Brinjikji, and V. DiTomasso, Astrophys. J. 909 (1), id. 85 (2021).
  85. C. Helling, arXiv:2205.00454 [astro-ph.EP] (2022).
  86. D. V. Bisikalo and V. I. Shematovich, Astron. Rep. 59, 836 (2015).
  87. A. A. Boyarchuk, B. M. Shustov, I. S. Savanov, M. E. Sach-kov, et al., Astron. Rep. 60, 1 (2016).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (93KB)
Indexing metadata
3.

Download (90KB)
Indexing metadata
4.

Download (51KB)
Indexing metadata
5.

Download (77KB)
Indexing metadata
6.

Download (117KB)
Indexing metadata
7.

Download (153KB)
Indexing metadata
8.

Download (86KB)
Indexing metadata
9.

Download (41KB)
Indexing metadata
10.

Download (72KB)
Indexing metadata
11.

Download (102KB)
Indexing metadata
12.

Download (35KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.Г. Жилкин, Ю.Г. Гладышева, В.И. Шематович, Д.В. Бисикало

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».