1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Астрономический журнал
  4. T. 100, № 12, 2023

Астрономический журнал, 2023, T. 100, № 12, стр. 1190-1209

Аэрономическая модель водородно-гелиевых верхних атмосфер горячих экзопланет-гигантов

А. Г. Жилкин 1, *, Ю. Г. Гладышева 1, В. И. Шематович 1, Д. В. Бисикало 1, 2

1 Учреждение Российской академии наук Институт астрономии Российской академии наук
Москва, Россия

2 Национальный центр физики и математики
Саров, Россия

* E-mail: zhilkin@inasan.ru

Поступила в редакцию 05.09.2023
После доработки 06.10.2023
Принята к публикации 23.10.2023

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.

Ключевые слова: горячие юпитеры, аэрономия, численное моделирование, гидродинамика, химические реакции, тепловой баланс

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. Oklop$\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\smile}$}}{c} $ić, 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. Oklop${{\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\smile}$}}{c} }}$ić, 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. Oklop$\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\smile}$}}{c} $ić 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).

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Астрономический журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал