Аэрономическая модель водородно-гелиевых верхних атмосфер горячих экзопланет-гигантов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлена одномерная аэрономическая модель водородно-гелиевых верхних атмосфер горячих экзопланет-гигантов, основанная на приближении одножидкостной многокомпонентной гидродинамики. Учитываются химические реакции и процессы нагрева-охлаждения. В качестве примера приложения модели рассмотрены типичные горячий юпитер и теплый нептун. Расчеты проведены для различных значений газового давления на фотометрическом радиусе планеты. В полученных решениях формируется трансзвуковой планетный ветер, приводящий к гидродинамическому оттоку атмосферы с темпами потери массы порядка \(3.5 \times {{10}^{{10}}}\) г/с для горячего юпитера и \(3.7 \times {{10}^{9}}\) г/с для теплого нептуна. При этом внешние слои атмосферы горячего юпитера оказываются полностью ионизованными, в то время как атмосфера теплого нептуна в основном состоит из нейтрального газа. В некоторых вариантах модели горячего юпитера в глубоких слоях атмосферы развивается неустойчивость, которая может приводить к формированию специфического облачного слоя.

Об авторах

А. Г. Жилкин

Учреждение Российской академии наук Институт астрономии Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhilkin@inasan.ru
Россия, Москва

Ю. Г. Гладышева

Учреждение Российской академии наук Институт астрономии Российской академии наук

Email: zhilkin@inasan.ru
Россия, Москва

В. И. Шематович

Учреждение Российской академии наук Институт астрономии Российской академии наук

Email: zhilkin@inasan.ru
Россия, Москва

Д. В. Бисикало

Учреждение Российской академии наук Институт астрономии Российской академии наук; Национальный центр физики и математики

Email: zhilkin@inasan.ru
Россия, Москва; Россия, Саров

Список литературы

  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).

© А.Г. Жилкин, Ю.Г. Гладышева, В.И. Шематович, Д.В. Бисикало, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах