Aeronomy of the atmosphere of ultra-hot Jupiter Kelt9B taking into account the kinetics of hydrogen atom levels

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Ultra-hot Jupiter Kelt9b impels to reconsider existing models of the upper atmospheres of hot exoplanets, which were previously developed using the example of G or M star systems such as HD209458b and GJ436b. The unique conditions of interaction between the radiation of an A-class star and the atmosphere necessitate kinetic modeling of excited levels of elements, primarily the hydrogen atom. For Kelt9b, the absorption was measures for several Balmer lines and lines of a number of heavy elements, the quantitative interpretation of which is an urgent task. In this work, for the first time, 3D modeling of the atmosphere of a planet with a close location of the Roche lobe has been implemented, taking into account the aeronomy and kinetics of excited hydrogen.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. F. Shaikhislamov

Institute of Laser Physics SB RAS; Institute of Astronomy, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Moscow; Novosibirsk

I. B. Miroshnichenko

Institute of Laser Physics SB RAS; Novosibirsk State Technical University

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

M. S. Rumenskikh

Institute of Laser Physics SB RAS; Institute of Astronomy, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State Technical University

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Moscow; Novosibirsk

A. V. Shepelin

Institute of Laser Physics SB RAS

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk

A. G. Berezutsky

Institute of Laser Physics SB RAS; Institute of Astronomy, Russian Academy of Sciences

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Moscow

S. S. Sharipov

Institute of Laser Physics SB RAS; Novosibirsk State Technical University

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

M. P. Golubovsky

Institute of Laser Physics SB RAS

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk

A. A. Chibranov

Institute of Laser Physics SB RAS

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Russian Federation, Novosibirsk

M. L. Khodachenko

Institute for Space Research

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Austria, Graz

References

  1. J. R. Kulow, K. France, J. Linsky, et al., Astrophys. J. 786(2), 132 (2014).
  2. V. Bourrier, A. L. Des Etangs, D. Ehrenreich, et al., Astron. and Astrophys. 620, A147 (2018).
  3. A. Vidal-Madjar, J. Désert, A. Lecavelier des Etangs, et al., Astrophys. J. Lett. 604, L69 (2004).
  4. J. L. Linsky, H. Yang, K. France, et al., Astrophys. J 717, 1291 (2010).
  5. L. Fossati, I. Pillitteri, I. F. Shaikhislamov, A. Bonfanti, F. Borsa, I. Carleo, ... M. S. Rumenskikh, Astron. and Astrophys. 673, A37 (2023) .
  6. М. С. Руменских, И. Ф. Шайхисламов, Оптика атмосферы и океана 37(1) (2024).
  7. L. Fossati, T. Koskinen, J. D. Lothringer, K. France, M. E. Young, A. G. Sreejith, Astrophys. J. Lett. 868(2), L30 (2018).
  8. H. J. Hoeijmakers, D. Ehrenreich, D. Kitzmann, R. Allart, S. L. Grimm, J. V. Seidel, ... K. Heng, Astron. and Astrophys. 627, A165 (2019).
  9. F. Yan, T. Henning, Nature Astronomy 2(9), 714–718 (2018).
  10. P. W. Cauley, E. L. Shkolnik, I. Ilyin, K. G. Strassmeier, S. Redfield, A. Jensen, Astron. J. 157(2), 69 (2019).
  11. J. D. Turner, E. J. de Mooij, R. Jayawardhana, M. E. Young, L. Fossati, T. Koskinen, ... M. Karjalainen, Astrophys. J. Lett. 888(1), L13 (2020).
  12. A. Wyttenbach, P. Mollière, D. Ehrenreich, H. M. Cegla, V. Bourrier, C. Lovis, ... I. A. G. Snellen, Astron. and Astrophys. 638, A87 (2020).
  13. L. Fossati, D. Shulyak, A. G. Sreejith, T. Koskinen, M. E. Young, P. E. Cubillos, ... F. Yan, Astron. and Astrophys. 643, A131 (2020).
  14. A. Sánchez-López, L. Lin, I. A. G. Snellen, N. Casasayas-Barris, A. G. Muñoz, M. Lampón, M. López-Puertas, arXiv preprint arXiv:2209.01854 (2022).
  15. F. Borsa, L. Fossati, T. Koskinen, M. E. Young, D. Shulyak, Nature Astronomy 6(2), 226–231 (2022).
  16. A. G. Muñoz, P. C. Schneider, Astrophys. J. Lett. 884(2), L43 (2019).
  17. C. Huang, P. Arras, D. Christie, and Z.-Y. Li, Astrophys. J. 851, 150 (2017).
  18. I. B. Miroshnichenko, I. F. Shaikhislamov, A. G. Berezutskii, M. S. Rumenskikh, E. S. Vetrova, Astronomy Reports 65, 61–69 (2021).
  19. L. Fossati, M. E. Young, Shulyak, D., Koskinen, T., Huang, C., Cubillos, P. E., ... & A. G. Sreejith, Astron. and Astrophys. 653, A52 (2021).
  20. D. Christie, P. Arras, Z. Y. Li, Astrophys. J. 772(2), 144 (2013).
  21. S. S. Sharipov, I. B. Miroshnichenko, I. F. Shaikhislamov, Astronomy Reports 67(3), 272–279 (2023).
  22. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 481, 5315–5323 (2018).
  23. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 491, 3435–3447 (2020).
  24. I. F. Shaikhislamov, L. Fossati, M. L. Khodachenko, et al., Astron. and Astrophys. 639, A109 (2020).
  25. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 500(1), 1404–1413 (2020).
  26. M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, et al., Astrophys. J. 885, 67 (2019).
  27. M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, L. Fossati, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. Lett., slab015 (2021).
  28. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, Yu. L. Sasunov, et al., Astrophys. J. 795, 132 (2014).
  29. M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, et al., Astrophys. J. 813, 50 (2015).
  30. M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, et al., Astrophys. J. 847, 126 (2017).
  31. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, et al., Astrophys. J. 832, 173 (2016).
  32. M. S. Rumenskikh, I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, I. B. Miroshnichenko, A. G. Berezutsky, L. Fossati, Astrophys. J. 927(2), 238 (2022).
  33. M. S. Rumenskikh, M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, I. B. Miroshnichenko, A. G. Berezutsky, A. V. Shepelin, N. K. Dwivedi, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 526(3), 4120–4129 (2023).
  34. L. Fossati, G. Guilluy, I. F. Shaikhislamov, I. Carleo, F. Borsa, A. S. Bonomo, M. S. Rumenskikh, H. Stoev, Astron. and Astrophys. 658, A136, 19 (2022).
  35. A. G. Berezutsky, I. F. Shaikhislamov, M. S. Rumenskikh, M. L. Khodachenko, H. Lammer, I. B. Miroshnichenko, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 515(1), 706–715 (2022).
  36. M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, I. B. Miroshnichenko, M. S. Rumenskikh, A. G. Berezutsky, L. Fossati, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 507(3), 3626–3637. (2021).
  37. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, et al., Astrophys. J. 866, 47 (2018).
  38. I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, A. G. Berezutsky, I. B. Miroshnichenko, M. S. Rumenskikh, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 500(1), 1404–1413 (2021).
  39. H. Lammer, F. Selsis, I. Ribas, et al., Astrophys. J. Lett. 598, L121 (2003).
  40. R. V. Yelle, Icarus 170, 167 (2004).
  41. T. O. Husser, S. Wende-von Berg, S. Dreizler, D. Homeier, A. Reiners, T. Barman, P. H. Hauschildt, Astron. and Astrophys. 553, A6 (2013).
  42. N. V. Erkaev, C. Weber, J. M. Griessmeier, H. Lammer, V. A. Ivanov, P. Odert, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 512(4), 4869–4876 (2022).
  43. B. T. Draine Physics of the interstellar and intergalactic medium (Vol. 19, Princeton University Press, 2010).
  44. Д. В. Бисикало, В. И. Шематович, П. В. Кайгородов, А. Г. Жилкин, Успехи физических наук 191(8), 785–845 (2021).
  45. R. K. Janev, W. D. Langer, J. K. Evans, J. D. E. Post Elementary Processes in Hydrogen-Helium Plasmas (Springer-Verlag, New York, 1987).
  46. L. Fossati, F. Biassoni, G. M. Cappello, F. Borsa, D. Shulyak, A. S. Bonomo, ... A. Sozzetti, Astron. and Astrophys. 676, A99 (2023).
  47. N. Przybilla, K. Butler, Astrophys. J. 609(2), 1181 (2004).
  48. M. Dijkstra Lyman-alpha as an Astrophysical and Cosmological Tool: Saas-Fee Advanced Course 46 (Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, Swiss Society for Astrophysics and Astronomy, 1–109, 2019).
  49. D. A. Verner, G. J. Ferland, K. T. Korista, D. G. Yakovlev, arXiv preprint astro-ph/9601009 (1996).
  50. G. S. Voronov, Atomic data and nuclear data tables 65(1), 1–35 (1997).
  51. M. J. Seaton, PPSA 68, 457 (1955).
  52. P. C. Stancil, A. Dalgarno, Faraday Discussions 109, 61–69 (1998).
  53. K. L. Bell, A. E. Kingston, Proceedings of the Physical Society 90(4), 895 (1967).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Average photoelectron energy (dots, in eV) and the corresponding temperature (dashed line, 1.5 kT = E el,ph ) as a function of the photoionization threshold, calculated for the spectrum of the star Kelt9. A simple formula is adopted for the cross section: σ ph ion = σ thr · ( E thr / E ) 3 , E > E thr . The vertical lines show the photoionization thresholds of some specific elements or transitions.

Download (76KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Spatial distribution in color gradation of the electron concentration (left, logarithmic scale) in the equatorial plane. The scale is presented in planet radii. The star is outside the figure at point X = 36.3, the orbital velocity of the planet is directed along –Y. On the right is the temperature distribution in the meridional plane. The calculation was made with the set of parameters N2.

Download (280KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Profiles of different values ​​along the y-axis obtained in the simulation of the H-He atmosphere with the N1 parameter set. Left panel: right axis — temperature; left axis — population of the HI(n2) level (β-factor, red line), calculated degree of ionization (blue) compared with the Saha equilibrium (orange), type B recombination (light blue) and type A recombination (purple). Right panel: right axis — temperature; left axis — intensity of heating (positive values ​​>0, solid lines) or cooling (<0, dotted lines) associated with the HI(n1) and HI(n2) levels. Also shown in black are analytical solutions obtained from the consideration of the kinetics of the levels in optically dense plasma: the part of heating due to photoionization of the HI(n2) level (solid) and for the temperature (dotted curve).

Download (190KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Left panel: the absorption profile in the Hα line at mid-transit in Doppler velocity units, obtained in the calculation with the N1 parameters (black solid line). For comparison, simulations with different radii and a fixed atmospheric temperature are shown: R fixed = 1.2 R p (green), 1.25 R p (red), 1.3 R p (blue). From here on, the open circles indicate measurements [9, 12]. Right panel: absorption in the calculation without reducing the A-type recombination (red line), with the stellar flux in the VUV range reduced by a factor of ten (blue) and by a factor of one hundred (purple). All other parameters are the same as in the N1 calculation.

Download (273KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Profiles of different values ​​along the y-axis obtained in the simulation of the H-He atmosphere calculating the population of negative hydrogen ions HI – with the N2 parameter set. Left panel: right axis is temperature; left axis is the population of the HI(n2) level (β-factor, red line), the degree of ionization (blue) compared to the Saha equilibrium (orange) and B-type recombination (light blue). The Khaki line shows the HI – concentration relative to its LTE value. Right panel: right axis is temperature; left axis is the intensity of heating (positive values ​​>0, solid lines) or cooling (<0, dotted lines) associated with the HI(n1) and HI(n2) levels.

Download (260KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Absorption profiles in the Hα line at mid-transit in Doppler velocity units for different parameter values ​​(calculations N2–N7) indicated in the figure legend.

Download (295KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Absorption profiles in the Hα line at mid-transit in units of Doppler velocity for different values ​​of effective recombination to the ground state 1s from excited n>2, bypassing the n2 level.

Download (162KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Absorption in percent at the center of the Hα line (V=0) and at the distant wing (V=80 km/s), limited by the atmosphere within the maximum radius around the planet Rmax. The vertical dashed lines show the region of formation of the corresponding absorption from the level of 0.5 to 0.9 of the maximum value. The gray curve shows the pressure in the atmosphere at the corresponding altitudes (right axis).

Download (89KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Profiles of total heating (red lines, left axis) and temperature (black lines, right axis) obtained in the present work (solid lines), [19] (dotted) and [16] (dashed).

Download (122KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. The density profile of hydrogen atoms excited to the n=2 level obtained by the present model from the solution of equations A.1–A.6 (red line) and the Monte Carlo code (blue dots and smoothed curve). The LTE formula for the level population is also shown (green curve). The simulation parameters correspond to the set N2 from Table 1.

Download (119KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

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».