Аэрономия атмосферы ультра-горячего Юпитера Kelt9B с учетом кинетики уровней атома водорода

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Ультра-горячий Юпитер Kelt9b заставляет пересмотреть существующие модели верхних атмосфер горячих экзопланет, которые ранее развивались на примере систем G или М-звезд, таких как HD209458b и GJ436b. Уникальные условия взаимодействия излучения звезды А-класса с атмосферой обуславливают необходимость кинетического моделирования возбужденных уровней элементов, в первую очередь атома водорода. Для Kelt9b зарегистрировано поглощение для нескольких линий Бальмера и линий ряда тяжелых элементов, количественная интерпретация которых является актуальной задачей. В данной работе впервые реализовано 3D моделирование атмосферы планеты с близким расположением полости Роша с учетом аэрономии и кинетики возбужденного водорода.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Ф. Шайхисламов

Институт лазерной физики СО РАН; Институт астрономии, Российская академия наук; Новосибирский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Москва; Новосибирск

И. Б. Мирошниченко

Институт лазерной физики СО РАН; Новосибирский государственный технический университет

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

М. С. Руменских

Институт лазерной физики СО РАН; Институт астрономии, Российская академия наук; Новосибирский государственный технический университет

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Москва; Новосибирск

А. В. Шепелин

Институт лазерной физики СО РАН

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. Г. Березуцкий

Институт лазерной физики СО РАН; Институт астрономии, Российская академия наук

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Москва

С. С. Шарипов

Институт лазерной физики СО РАН; Новосибирский государственный технический университет

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

М. П. Голубовский

Институт лазерной физики СО РАН

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. А. Чибранов

Институт лазерной физики СО РАН

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Россия, Новосибирск

М. Л. Ходаченко

Институт космических исследований

Email: ShaikhislamovIldar@yandex.ru
Австрия, Грац

Список литературы

  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).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Средняя энергия фотоэлектронов (точки, в эВ) и соответствующая температура (пунктирная линия, 1.5 kT = E el,ph ) в зависимости от порога фотоионизации, рассчитанная для спектра звезды Kelt9. Для сечения принята простая формула: σ ph ion = σ thr · ( E thr / E ) 3 , E > E thr . Вертикальные линии показывают пороги фотоионизации некоторых конкретных элементов или переходов.

Скачать (76KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пространственное распределение в цветовой градации концентрации электронов (слева, логарифмическая шкала) в экваториальной плоскости. Масштаб представлен в радиусах планеты. Звезда находится за пределами рисунка в точке X = 36.3, орбитальная скорость планета направлена по –Y. Справа — распределение температуры в меридиональной плоскости. Расчет сделан с набором параметров N2.

Скачать (280KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Профили различных значений вдоль оси Y, полученные при моделировании атмосферы H-He с набором параметров N1. Левая панель: правая ось — температура; левая ось — населенность уровня HI(n2) (β-фактор, красная линия), вычисленная степень ионизации (синяя) по сравнению с равновесием Саха (оранжевая), рекомбинацией типа B (голубая) и рекомбинацией типа A (фиолетовая). Правая панель: правая ось — температура; левая ось — интенсивность нагрева (положительные величины >0, сплошные линии) или охлаждения (<0, точечные линии), связанные с уровнями HI(n1) и HI(n2). Также показаны черным цветом аналитические решения, полученные из рассмотрения кинетики уровней в оптически плотной плазме: часть нагрева за счет фотоионизации уровня HI(n2) (сплошная) и для температуры (точечная кривая).

Скачать (190KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Левая панель: профиль поглощения в линии Hα в середине транзита в единицах Доплеровской скорости, полученный в расчете с параметрами N1 (черная сплошная линия). Для сравнения показаны моделирования с различными радиусами и фиксированной температурой атмосферы: R fixed = 1.2 R p (зеленый), 1.25 R p (красный), 1.3 R p (синий). Здесь и далее открытыми кружками показаны измерения [9, 12]. Правая панель: поглощение в расчете без уменьшения рекомбинации типа А (красная линия), с уменьшенным в десять раз (синяя) и в сто раз (фиолетовая) звездным потоком излучения в VUV диапазоне. Все остальные параметры такие же как в расчете N1.

Скачать (273KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профили различных значений вдоль оси Y, полученные при моделировании атмосферы H-He с расчетом популяции отрицательных ионов водорода HI – с набором параметров N2. Левая панель: правая ось — температура; левая ось — населенность уровня HI(n2) (β-фактор, красная линия), степень ионизации (синяя) по сравнению с равновесием Саха (оранжевая) и рекомбинация типа B (голубая). Линия Хаки показывает концентрацию HI – относительно его ЛТР значения. Правая панель: правая ось — температура; левая ось — интенсивность нагрева (положительные величины >0, сплошные линии) или охлаждения (<0, точечные линии), связанные с уровнями HI(n1) и HI(n2).

Скачать (260KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Профили поглощения в линии Hα в середине транзита в единицах Доплеровской скорости для разных значений параметров (расчеты N2–N7), указанных в легенде рисунка.

Скачать (295KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Профили поглощения в линии Hα в середине транзита в единицах Доплеровской скорости для разных значений эффективной рекомбинации в основное состояние 1s из возбужденных n>2, минуя уровень n2.

Скачать (162KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Поглощение в процентах в центре линии Hα (V=0) и на далеком крыле (V=80 км/с), ограниченное атмосферой в пределах максимального радиуса вокруг планеты Rmax. Вертикальные штриховые линии показывают область формирования соответствующего поглощения от уровня 0.5 до 0.9 максимальной величины. Серая кривая показывает давление в атмосфере на соответствующих высотах (правая ось).

Скачать (89KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Профили полного нагрева (красные линии, левая ось) и температуры (черные линии, правая ось), полученные в настоящей работе (сплошные линии), [19] (точечные) и [16] (штриховые).

Скачать (122KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Профиль плотности атомов водорода, возбужденных на уровень n=2, полученный настоящей моделью из решения уравнений П.1–П.6 (красная линия) и кодом Монте-Карло (синие точки и сглаженная кривая). Также показана ЛТР формула населенности уровня (зеленая кривая). Параметры моделирования соответствуют набору N2 из табл. 1.

Скачать (119KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

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».