Эволюционная история атмосферы молодого мини-нептуна HD 207496b

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Рассмотрены результаты моделирования процесса убегания первичной атмосферы под воздействием теплового потока от ядра для экзопланеты HD 207496b. Показано, что данный механизм потери газовой оболочки недостаточно эффективен в силу сравнительно невысокой равновесной температуры экзопланеты, а также из-за относительно большой массы. Ранее для HD 207496b была показана высокая эффективность фотоиспарения водородно-гелиевой атмосферы под воздействием жесткого УФ-излучения (Barros и др., 2023). Было продемонстрировано, что если HD 207496b обладает скалистым ядром без водной мантии, окруженным оболочкой первичного состава, то масса атмосферы должна составлять около 0.5% массы экзопланеты, и оболочка будет полностью утрачена через ≈500 млн лет. В этом случае начальная массовая доля первичной атмосферы для HD 207496b должна была составлять порядка 2.2% (возраст экзопланеты – около 520 млн лет). Однако механизм убегания под воздействием теплового потока от ядра не может в данном случае привести к заметной потере атмосферы. Вместе с тем полученный результат сильно зависит от равновесной температуры и массы экзопланеты. Соответственно, HD 207496b может быть достаточно близка к границе, когда влияние теплового потока от ядра на эволюцию газовой оболочки становится существенным, а полученный результат – модельно зависимым. В этой связи целесообразно в дальнейших исследованиях учесть ряд дополнительных факторов: возможность наличия водной мантии, тепловой поток радиогенной природы, а также приливные эффекты.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Р. А. Евдокимов

ПАО РКК “Энергия им. С.П. Королева”

Email: shematov@inasan.ru
Russian Federation, Королев МО

В. И. Шематович

Институт астрономии РАН

Author for correspondence.
Email: shematov@inasan.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Ahrens T.J. Impact erosion of terrestrial planetary atmospheres // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 1993. V. 21. P. 525–555. https://doi.org/10.1146/annurev.ea.21.050193.002521
  2. Barros S.C.C., Demangeon O.D S., Armstrong D.J., Delgado Mena E., Acuña L., Fernández Fernández J., Deleuil M., Collins K.A., Howell S.B., Ziegler C., and 32 co-authors. The young mini-Neptune HD207496b that is either a naked core or on the verge of becoming one // Astron. and Astrophys. 2023. V. 673. Id. A4 (18 p.). https://doi.org/10.1051/0004-6361/202245741
  3. Biersteker J.B., Schlichting H.E. Atmospheric mass-loss due to giant impacts: The importance of the thermal component for hydrogen-helium envelopes // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2019. V. 485. P. 4454–4463. https://doi.org/10.1093/mnras/stz738
  4. Biersteker J.B., Schlichting H.E. Losing oceans: The effects of composition on the thermal component of impact-driven atmospheric loss // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2021. V. 501. P. 587–595. https://doi.org/10.1093/mnras/staa3614
  5. Cameron A.G.W. Origin of the atmospheres of the terrestrial planets // Icarus. 1983. V. 56. P. 195–201. https://doi.org/10.1016/0019-1035(83)90032-5
  6. Chamberlain J.W. Upper atmospheres of the planets // Astrophys. J. 1962. V. 136. P. 582–586. https://doi.org/10.1086/147409
  7. Chen H., Rogers L.A. Evolutionary analysis of gaseous sub-Neptune-mass planets with MESA // Astrophys. J. 2016. V. 831. Id. 180 (18 p.). https://doi.org/10.3847/0004-637X/831/2/180
  8. Cohen O., Kashyap V.L., Drake J.J., Sokolov I.V., Gombosi T.I. The dynamics of stellar coronae harboring hot Jupiters. II. A space weather event on a hot Jupiter // Astrophys. J. 2011. V. 738. Id. 166 (13 p.). https://doi.org/10.1088/0004-637X/738/2/166
  9. Erkaev N.V., Kulikov Y., Lammer H., Selsis F., Langmayr D., Jaritz G.F., Biernat H.K. Roche lobe effects on the atmospheric loss from “hot Jupiters” // Astron. and Astrophys. 2007. V. 472. P. 329–334. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20066929
  10. Freedman R.S., Marley M.S., Lodders K. Gaseous mean opacities for giant planet and ultracool dwarf atmospheres over a range of metallicities and temperatures // Astrophys. J. Suppl. 2008. V. 174. P. 50–74. https://doi.org/10.1086/521793
  11. Fulton B.J., Petigura E.A., Howard A.W., Isaacson H., Marcy G.W., Cargile P.A., Hebb L., Weiss L.M., Johnson J.A., Morton T.D., and 3 co-authors. The California-Kepler Survey. III. A gap in the radius distribution of small planets // Astrophys. J. 2017. V. 154. Id. 109 (19 p.). https://doi.org/10.3847/1538-3881/aa80eb
  12. Ginzburg S., Schlichting H.E., Sari R. Super-Earth atmospheres: Self-consistent gas accretion and retention // Astrophys. J. 2016. V. 825. Id. 29 (12 p.). https://doi.org/10.3847/0004-637X/825/1/29
  13. Ginzburg S., Schlichting H.E., Sari R. Core-powered mass loss and the radius distribution of small exoplanets // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2018. V. 476. P. 759–765. https://doi.org/10.1093/mnras/sty290
  14. Gupta A., Schlichting H.E. Sculpting the valley in the radius distribution of small exoplanets as a by-product of planet formation: The core-powered mass-loss mechanism // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2019. V. 487. P. 24–33. https://doi.org/10.1093/mnras/stz1230
  15. Genda H., Abe Y. Enhanced atmospheric loss on protoplanets at the giant impact phase in the presence of oceans // Nature. 2005. V. 433. P. 842–844. https://doi.org/10.1038/nature03360
  16. Hazra G., Vidotto A.A., Carolan S., Villarreal D’Angelo C., Manchester W. The impact of coronal mass ejections and flares on the atmosphere of the hot Jupiter HD189733b // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2022. V. 509. P. 5858–5871. https://doi.org/10.1093/mnras/stab3271
  17. Johnson R.E., Combi M.R., Fox J.L., Ip W.-H., Leblanc F., McGrath M.A., Shematovich V.I., Strobel D.F., Waite J.H., Jr. Exospheres and atmospheric escape // Space Sci. Rev. 2008. V. 139. P. 355–397. https://doi.org/10.1007/s11214-008-9415-3
  18. Johnstone C.P., Bartel M., Güdel M. The active lives of stars: A complete description of the rotation and XUV evolution of F, G, K, and M dwarfs // Astron. and Astrophys. 2021. V. 649. Id. A96 (26 p.). https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038407
  19. Kasting J.F., Pollack J.B. Loss of water from Venus. I. Hydrodynamic escape of hydrogen // Icarus. 1983. V. 53. P. 479–508. https://doi.org/10.1016/0019-1035(83)90212-9
  20. Kasting J.F., Whitmire D.P., Reynolds R.T. Habitable zones around main sequence stars // Icarus. 1993. V. 101. P. 108–128. https://doi.org/10.1006/icar.1993.1010
  21. King G.W., Wheatley P.J., Salz M., Bourrier V., Czesla S., Ehrenreich D., Kirk J., Lecavelier des Etangs A., Louden T., Schmitt J., Schneider P.C. The XUV environments of exoplanets from Jupiter-size to super-Earth // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2018. V. 478. P. 1193–1208. https://doi.org/10.1093/mnrasl/slz003
  22. Kopparapu R.K., Ramirez R., Kasting J.F., Eymet V., Robinson T.D., Mahadevan S., Terrien R.C., Domagal-Goldman Sh., Meadows V., Deshpande R. Habitable zones around main-sequence stars: New estimates // Astrophys. J. 2013. V. 765. Id. 131 (16 p.). https://doi.org/10.1088/0004-637X/765/2/131
  23. Kubyshkina D.I., Fossati L. Extending a grid of hydrodynamic planetary upper atmosphere models // Res. Notes AAS. 2021. V. 5. Id. 74. https://doi.org/ 10.3847/2515-5172/abf498
  24. Lammer H., Selsis F., Ribas I., Guinan E.F., Bauer S.J., Weiss W.W. Atmospheric loss of exoplanets resulting from stellar X-ray and extreme-ultraviolet heating // Astrophys. J. Lett. 2003. V. 598. P. L121–L124. https://doi.org/10.1086/380815
  25. Linder E.F. Mordasini C., Mollière P., Marleau G.-D., Malik M., Quanz S.P., Meyer M.R. Evolutionary models of cold and low-mass planets: cooling curves, magnitudes, and detectability // Astron. and Astrophys. 2019. V. 623. Id. A85 (24 p.). https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833873
  26. Madhusudhan N., Piette A.A.A., Constantinou S. Habitability and biosignatures of hycean worlds // Astrophys. J. 2021. V. 918. P. 1–10. https://doi.org/10.3847/1538-4357/abfd9c
  27. Marov M.Ya., Shematovich V.I., Bisikalo D.V. Nonequilibrium processes in the planetary and cometary atmospheres. A kinetic approach to modeling // Space Sci. Rev. 1996. V. 76. P. 1–202. https://doi.org/10.1007/BF00240583
  28. Micela G., Cecchi-Pestellini C., Colombo S., Locci D., Petralia A. Planet interactions at a young age // Astron. Nachrichten. 2022. V. 343. Id. e10097. https://doi.org/10.1002/asna.20210097
  29. Misener W., Schlichting H.E. To cool is to keep: residual H/He atmospheres of super-Earths and sub-Neptunes // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2021. V. 503. P. 5658–5674. https://doi.org/10.1093/mnras/stab895
  30. Modirrousta-Galian D., Korenaga J. The three regimes of atmospheric evaporation for super-Earths and sub-Neptunes // Astrophys. J. 2023. V. 943. Id. 11 (27 p.). https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9d34
  31. Mol Lous M., Helled R., Mordasini C. Potential long-term habitable conditions on planets with primordial H-He atmospheres // Nature Astron. 2022. V. 6. P. 819–828. https://doi.org/10.1038/s41550-022-01699-8
  32. Mordasini C. Planetary evolution with atmospheric photoevaporation. I. Analytical derivation and numerical study of the evaporation valley and transition from super-Earths to sub-Neptunes // Astron. and Astrophys. 2020. V. 38. Id. A52. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935541
  33. Mordasini C., Alibert Y., Georgy C., Dittkrist K.-M., Klahr H., Henning T. Characterization of exoplanets from their formation. II. The planetary mass-radius relationship // Astron. and Astrophys. 2012. V. 547. Id. A112 (36 p.). https://doi.org/10.1051/0004-6361/201118464
  34. Murray-Clay R.A., Chiang E.I., Murray N. Atmospheric escape from hot Jupiters // Astrophys. J. 2009. V. 693. P. 23–42. https://doi.org/10.1088/0004-637X/693/1/23
  35. Otegi J.F., Bouchy F., Helled R. Revisited mass–radius relations for exoplanets below 120 M⊕ // Astron. and Astrophys. 2020. V. 634. Id. A43. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936482
  36. Owen J.E. Atmospheric escape and the evolution of close-in exoplanets // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 2019. V. 47. P. 67–90. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-053018-060246
  37. Owen J.E., Mohanty S. Habitability of terrestrial-mass planets in the HZ of M Dwarfs – I. H/He-dominated atmospheres // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2016. V. 459. P. 4088–4108. https://doi.org/10.1093/mnras/stw959
  38. Owen J.E., Schlichting H.E. Mapping out the parameter space for photoevaporation and core-powered mass-loss // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2024. V. 528. P. 1615–1629. https://doi.org/10.1093/mnras/stad3972
  39. Owen J.E., Wu Y. Kepler planets: A tale of evaporation // Astrophys. J. 2013. V. 775. Id. 105. https://doi.org/10.1088/0004-637X/775/2/105
  40. Pizzolato N., Maggio A., Micela G., Sciortino S., Ventura P. The stellar activity-rotation relationship revisited: Dependence of saturated and non-saturated X-ray emission regimes on stellar mass for late-type dwarfs // Astron. and Astrophys. 2003. V. 397. P. 147–157. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20021560
  41. Schlichting H.E., Sari R., Yalinewich A. Atmospheric mass loss during planet formation: The importance of planetesimal impacts // Icarus. 2015. V. 247. P. 81–94. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.09.053
  42. Shematovich V.I., Marov M.Ya. Escape of planetary atmospheres: Physical processes and numerical models // Physics Uspekhi. 2018. V. 61. P. 217–246. https://doi.org/10.3367/UFNe.2017.09.038212
  43. Shizgal B.D., Arkos G.G. Nonthermal escape of the atmospheres of Venus, Earth, and Mars // Rev. Geophys. 1996. V. 34. P. 483–505. https://doi.org/10.1029/96RG02213
  44. Simonova A.A., Shematovich V.I. Approximate calculation of the thermal loss of the atmosphere of a hot exoplanet in a low orbit with taking into account the ellipticity // Astrophys. Bull. 2023. V. 78. P. 214–221. https://doi.org/10.1134/S1990341323020098
  45. Tian F. Atmospheric escape from Solar system terrestrial planets and exoplanets // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 2015. V. 43. P. 459–476. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-060313-054834
  46. Watson A.J., Donahue T.M., Walker J.C.G. The dynamics of a rapidly escaping atmosphere: Applications to the evolution of Earth and Venus // Icarus. 1981. V. 48. P. 150–166. https://doi.org/10.1016/0019-1035(81)90101-9
  47. Wright N.J., Drake J.J., Mamajek E.E., Henry G.W. The stellar-activity-rotation relationship and the evolution of stellar dynamos // Astrophys. J. 2011. V. 743. Id. 48 (16 p.). https://doi.org/10.1088/0004-637X/743/1/48
  48. Wright N J., Newton E.R., Williams P.K.G., Drake J.J., Yadav R.K.The stellar rotation-activity relationship in fully convective M dwarfs // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2018. V. 479. P. 2351–2360. https://doi.org/10.1093/mnras/sty1670
  49. Zahnle K.J., Kasting J.F. Mass fractionation during transonic escape and implications for loss of water from Mars and Venus // Icarus. 1986. V. 68. P. 462–480. https://doi.org/10.1016/0019-1035(86)90051-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Evolution of the mass fraction of the atmosphere fenv and its height ΔR for HD 207496b when considering the initial current state of the exoplanet and its gas envelope. There is practically no escape of the atmosphere due to the flow of thermal energy from the core; the decrease in height over time is determined by its cooling and compression.

Download (152KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Evolution of the atmospheric mass fraction fenv and its height ΔR for HD 207496b since the formation of the planet. There is practically no atmospheric escape, the change in ΔR since the formation of the planet is determined by cooling and compression.

Download (150KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Evolution of the mass fraction of the atmosphere fenv and its height ΔR for an exoplanet of the HD 207496b type since its formation for different values ​​of the equilibrium temperature: 1 – Teq= 743 K; 2 – 900 K; 3 – 1000 K; 4 – 1100 K; 5 – 1300 K.

Download (211KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Evolution of the mass fraction of the atmosphere fenv and its height ΔR for an exoplanet of the HD 207496b type since its formation for different values ​​of the core mass: 1 – Mc = 6.07 M⊕; 2 – 5.0 M⊕; 3 – 4.5 M⊕; 4 – 4.0 M⊕.

Download (185KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 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».