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

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».