Газодинамические особенности оболочек экзопланет класса "горячий юпитер" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат наук Ионов, Дмитрий Эрикович

• Ионов, Дмитрий Эрикович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Ионов, Дмитрий Эрикович

Оглавление

Введение

1 Газодинамика оболочек «горячих юпитеров»

1.1 Используемая модель

1.1.1 Физическая модель

1.1.2 Математическая модель

1.1.3 Численная модель

1.2 Особенности взаимодействия верхних атмосфер «горячих юпитеров» со звездным ветром

1.3 Несферическая оболочка экзопланеты \VASP-12b

2 Оболочки «горячих юпитеров»

2.1 Типы оболочек «горячих юпитеров»

2.2 Фотометрические проявления несферической оболочки «горячего юпитера»

2.3 Спектроскопические проявления несферической оболочки «горячего юпитера»

3 Влияние надтепловых фотоэлектронов на свойства атмосфер «горячих юпитеров»

3.1 Равновесные модели термосферы «горячего юпитера»

3.2 Процессы ионизации с учетом высокоэнергичных фотоэлектронов

3.3 Расчет параметров атмосферы НО 209458Ь с учетом фотоэлектронов

3.4 Определение эффективности нагрева атмосферы планеты

НО 209458Ь

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Газодинамические особенности оболочек экзопланет класса "горячий юпитер"»

Введение

Актуальность проблемы

Изучение экзопланет — одна из самых интересных тем современной астрофизики. Первые экзопланеты были открыты около двадцати лет назад, с тех пор число известных экзопланет растет экспоненциально. К марту 2014 г. было открыто более 1000 экзопланет в более чем 700 звездных системах. Еще более 2000 объектов содержится в списке кандидатов в экзопланеты, составленным по результатам наблюдений на космическом телескопе Kepler. Ожидается, что в ходе работы будущих наземных и космических телескопов, число открытых экзопланет существенно возрастет уже в ближайшем будущем. Так, запущенный в декабре 2013 г. аппарат Gaia должен открыть свыше 10 тысяч экзопланет.

Из всех известных экзопланет наиболее перспективными для исследований являются транзитные планеты, то есть планеты, для которых угол между плоскостью их орбиты и лучом зрения наблюдателя настолько мал, что мы можем наблюдать прохождение планеты по диску звезды — транзит. Фотометрические и спектроскопические наблюдения транзитов в сочетании с измерением лучевых скоростей звезды позволяют определить массу планеты, ее радиус, а также получить спектры поглощения, из которых можно извлечь информацию о строении, составе и динамике верхних слоев ее атмосферы.

В настоящее время среди транзитных планет наибольший интерес представляют экзопланеты класса «горячий юпитер». Так называются массивные газовые гиганты (с массой порядка массы Юпитера) расположенные в непосредственной близости от звезды, на расстояниях не превыша-

ющих 0.1 а.е. [1]. Исторически именно «горячие юпитеры» стали первыми открытыми экзопланетами [2], поэтому они имеют самую длинную историю изучения среди экзопланет. Первый транзитный «горячий юпитер» — планету НО 209458Ь — открыли в 1999 году [3]. К марту 2014 г. известно свыше 300 транзитных экзопланет, более половины из них — «горячие юпитеры». Благодаря своим большим размерам, они имеют значительную глубину транзита, а малый период обращения приводит к высокой частоте транзитов. Это делает «горячие юпитеры» объектами, для которых можно получить больше всего качественной наблюдательной информации. Наличие мощной атмосферы позволяет извлечь большое количество инофрма-ции из спектроскопических наблюдений планеты. Именно поэтому «горячие юпитеры» стали объектом исследования в данной работе.

Следует отметить, что даже для наиболее изученных «горячих юпитеров» количество проведенных наблюдений крайне мало. Однако при рассмотрении даже этого ограниченного набора обнаружены аномальные явления, свидетельствующие о наличии трудно объяснимых особенностей у оболочек «горячих юпитеров». Первым таким явлением стало необычно высокое поглощение во время транзита в отдельных спектральных линиях в отличие от поглощения по результатам фотометрии. Такое поглощение было обнаружено в частности у экзопланет: НО 209458Ь для линий Ьу — а, О II, С И, III [4-6], планеты \¥АБР-12Ь для линий УФ-диапазона [7], планеты НО 189733Ь для линии Ьу — а [8]. Другое необычное явление — это раннее начало транзита, впервые открытое для плаиетЕ31 \VASP-12b [7]. Оно заключается в том, что при наблюдении в узких полосах УФ-диапазона транзит начинается значительно раньше по сравнению с данными фотометрии. Кроме этого, согласно результатам наблюдений [6], линии поглощения С II и III атмосферы планеты НО 209458Ь имеют необычную двугорбую форму.

Попытки интерпретации этих явлений предпринимались неоднократ-

но. Однако все предыдущие модели не вполне корректно учитывали газодинамические эффекты, связанные со сверхзвуковым движением планеты в газе звездного ветра. Очевидно, что возникающие при этом явления должны сильно влиять на свойства оболочек, а возможно, играть определяющую роль в их состоянии, поэтому задача исследований таких эффектов представляется чрезвычайно актуальной.

Цели работы

Основная цель работы заключается в исследовании процессов, определяющих свойства оболочек «горячих юпитеров». Такими процессами в первую очередь являются газодинамические эффекты и поглощение излучения звезды.

Среди газодинамических эффектов, протекающих в верхних слоях атмосфер «горячих юпитеров» можно выделить два ключевых. Первый из них — это взаимодействие атмосферы с газом звездного ветра. Так как у типичных «горячих юпитеров» орбитальная скорость превышает скорость звука в газе звездного ветра, то перед планетой формируется отошедшая ударная волна. Кроме этого, из-за небольшого расстояния до звезды многие «горячие юпитеры» близки к заполнению своей полости Роша, и их атмосфера простирается далеко за ее пределы. Это должно приводить к истечению атмосферы через окрестности точек Лагранжа Ь\ и Ь^. Взаимодействие истекающих потоков с газом звездного ветра должно сильно усложнить газодинамическую картину течения.

Для интерпретации наблюдений в первую очередь необходимо изучение верхних слоев атмосферы. В силу разреженности вещества в этой области важную роль должны играть процессы, обусловленные появлением нетермализованных частиц. Между тем, в опубликованных ранее агрономических моделях атмосферы нетермализованные частицы во внимание не принимались. Поэтому для оценки их вклада в атмосферные процессы

в диссертационной работе исследуется влияние надтепловых фотоэлектронов на процессы ионизации, идущие в термосфере.

Для исследования влияния газодинамических процессов и надтепловых фотоэлектронов на оболочки «горячих юпитеров» в ходе диссертационной работы решались следующие задачи:

• проведение численного трехмерного газодинамического моделирования взаимодействия атмосфер «горячих юпитеров» с газом звездного ветра;

• определение структуры и динамики оболочек «горячих юпитеров» при разных параметрах атмосферы и звездного ветра;

• объяснение в рамках предложенной модели явлений, наблюдающимся у «горячих юпитеров», а именно, раннего начала транзита в УФ-дипапазоне, аномально высокого поглощения в спектральных линиях и двугорбого профиля некоторых линий поглощения;

• проведение численного моделирования процессов ионизации в термосфере «горячего юпитера» и оценка роли фотоэлектронов в этих процессах.

Научная новизна

Впервые проведены полноценные трехмерные численные расчеты взаимодействия атмосферы «горячего юпитера» с газом звездного ветра на примере планет \VASP-12b и НБ 209458Ь. На основе результатов моделирования обнаружена возможность существования замкнутой несферической газовой оболочки (атмосферы), окружающей типичные «горячие юпитеры». Такая оболочка образуется, когда атмосфера планеты переполняет полость Роша, из-за чего начинается истечение вещества через окрестности

точек Лагранжа, однако истекающие потоки останавливаются динамическим давлением звездного ветра. В результате вокруг планеты формируется обширная оболочка сложной формы, выходящая за пределы полости Роша планеты. При этом такая структура остается стационарной и долго-живущей.

Проведено численное моделирование структуры течения в окрестности планеты 1ГО 209458Ь в диапазоне параметров ее атмосферы, известным из наблюдений. Впервые показано, что в зависимости от параметров атмосферы и звездного ветра форма и динамика оболочки планеты принципиально меняется. Выделено три типа оболочек: сферическая замкнутая, несферическая замкнутая и открытая. Ключевую роль в разделении этих типов играет образование отошедшей ударной волны в результате сверхзвукового движения планеты в газе звездного ветра. Показано, что если точка лобового столкновения (ТЛС) лежит внутри полости Роша, то атмосфера планеты имеет сферическую форму. Если точка лобового столкновения находится за пределами полости Роша, начинается истечение из точек Лагранжа, и форма атмосферы искажается. В том случае, когда образующиеся потоки останавливаются динамическим давлением звездного ветра, вблизи планеты формируется замкнутая несферическая оболочка. Если звездный ветер не может остановить струи из точек Лагранжа образуется открытая оболочка.

Предложенная модель формирования несферических оболочек позволяет объяснить аномальные явления, наблюдавшиеся для экзопланет НБ 209458Ь и \\А8Р-12Ь. Ранний транзит у планеты \¥А8Р-12Ь объясняется поглощением в плотном горячем газе, находящемся за ударной волной. Показано, что формирование у планеты \¥А8Р-12Ь несферической оболочки приводит к сдвигу ударной волны от планеты па расстояние в несколько ее радиусов в направлении ее движения. Появление двугорбых линий в спектре планеты НБ 209458Ь объясняется поглощением света звезды в об-

ласти за отошедшей ударной волной. В этой области газ движется в противоположные стороны от точки лобового столкновения, что может вызвать появление наблюдаемого профиля линии. Кроме этого, в рамках предложенной модели обширная оболочка должна вызывать аномально высокое поглощение в линиях.

Впервые оценен вклад надтепловых фотоэлектронов в процессы ионизации в термосфере «горячего юпитера». Показано, что скорость ионизации фотоэлектронами сравнима со скоростью фотоионизации, а на небольших высотах превосходит ее. Таким образом, установлено, что надтепловые частицы играют важную роль в физических процессах, идущих в верхних атмосферах «горячих юпитеров».

Практическая значимость

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в реферируемых научных изданиях. Полученные результаты хорошо приняты в международном сообществе и активно цитируется в ведущих международных изданиях.

Обнаруженная возможность формирования несферических оболочек меняет подход к интерпретации наблюдений «горячих юпитеров». В настоящее время совместно с различными международными группами наблюдателей экзопланет прорабатываются методики, позволяющие в ходе интерпретации наблюдений учесть реальную форму оболочек «горячих юпитеров». Кроме того, в ноябре 2013 г. на Космическом телескопе им. Хаббла проведены наблюдения экзопланеты \VASP-12b с целью определения вох-можности существования несферической оболочки.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Число страниц - 110, число рисунков - 34, таблиц - 4, наименований в списке литературы - 94.

Содержание работы

Во Введении обсуждается актуальность выбранной темы, формулируется общая постановка задачи, предмет и метод исследования. Кроме этого, в разделе приводятся обзор содержания диссертации, описание научной новизны и практической значимости результатов.

В главе 1 «Газодинамика оболочек «горячих юпитеров» приводится описание используемой модели, обсуждаются особенности газодинамики взаимодействия атмосфер «горячих юпитеров» со звездным ветром, а также приводятся результаты моделирования системы \VASP-12.

В параграфе 1.1. «Используемая модель» представлены физическая, математическая и численная модели. Система звезда-«горячий юпитер» рассматривается как двойная система с большим отношением масс компонентов. Соответственно, к исследованию этой системы применимы методы и модели, использовавшиеся ранее для изучения двойных звезд. Поле сил в системе описывается потенциалом Роша. Считается, что вращение планеты вокруг своей оси синхронизовано с орбитальным движением. На основании теоретических выводов и результатов наблюдений вводится предположение об отсутствии сильного магнитного поля у этого типа экзопланет. Атмосфера считается изотермической, стационарной и покоящейся. В работе исследуются звезды того же класса, что и Солнце, поэтому параметры звездного ветра берутся равными параметрам солнечного на соответствующем орбитальном радиусе.

Для описания движения вещества в системе решаются газодинами-

ческие трехмерные уравнения Эйлера, замыкаемые уравнением состояния идеального газа. Для численного решения этой системы уравнений используется разностная схема Роу-Ошера-Эйнфельдта, относящаяся к годунов-скому типу. Такие схемы позволяют корректно описывать разрывы, в частности, ударные волны, и обеспечивают высокую точность в областях гладкого решения. Используемый численный код ранее применялся для расчета течения в тесных двойных системах. Этот код приспособлен для работы на компьютерах с массивно-параллельной архитектурой. Вычисления велись на кластере МВС-ЮОк с использованием нескольких сотен процессоров. Для расчетов применялась декартова система координат, при этом кроме равномерной в некоторых расчетах использовалась сгущающаяся к планете сетка.

В параграфе 1.2 «Особенности взаимодействия верхних атмосфер «горячих юпитеров» со звездным ветром» описываются газодинамические струтуры, которые могут формироваться вблизи «горячих юпитеров». Поскольку типичный «горячий юпитер» движется в газе звездного ветра со сверхзвуковой скоростью, впереди планеты образуется отошедшая ударная волна и контактный разрыв, отделяющий вещество атмосферы от газа звездного ветра. Звездный ветер, проходя через ударную волну, нагревается и сжимается, после чего движется вдоль контактного разрыва. При этом звездный ветер образует потоки, текущие в противоположные стороны от точки лобового столкновения. В параграфе приводятся известные аналитические и полуэмпирические закономерности, определяющие положение и форму контактного разрыва и фронта ударной волны для рассматриваемой задачи.

Атмосферы многих «горячих юпитеров», в том числе моделируемых в работе планет ЕГО 209458Ь и \¥А8Р-12Ь, переполняют свои полости Роша. Такое переполнение вызывает истечение через окрестность точки Лагран-жа Ь\ (и, возможно, Ь2). Для определенных из наблюдений степеней пе-

реполнения полости Роша потери вещества атмосферами «горячих юпитеров» велики и характерное время жизни их атмосфер не превышает нескольких месяцев. Очевидно, что в системе должен присутствовать физический процесс, стабилизирующий атмосферу.

В качестве такого процесса в диссертации рассматривается формирование отошедшей ударной волны (ОУВ), вызванное сверхзвуковым движением планеты в газе зведного ветра. Действительно, из приведенных в диссертации соображений следует, что динамическое давление газа звездного ветра может при определенных параметрах ветра превысить давление струи, что приводит к ее остановке. В результате вокруг планеты будет формироваться замкнутая газовая оболочка, выходящая за пределы полости Роша и имеющая сильно несферическую форму. При этом оболочка будет стационарной и долгоживущей.

В параграфе 1.3 «Несферическая оболочка экзопланеты Ц1АЗР-12Ъ» описываются результаты численного моделирования системы \VASP-12.

"\УА8Р-12Ь — типичный «горячий юпитер» с массой М;;/ = 1.4 М/ и радиусом ЯР1 — 1.74/2.7, движущийся по круговой орбите с большой полуосью равной трем радиусам звезды. Стоит отметить, что собственная скорость звездного ветра в этой системе — дозвуковая с числом Маха М = 0.85, однако орбитальная скорость планеты (230 км/с) превышает скорость звука (М = 1.97). Векторная сумма орбитальной скорости и радиальной скорости звездного ветра дает скорость 242 км/с для потока, набегающего на атмосферу планеты, что соответствует числу Маха М = 2.14.

Результаты численного моделирования планеты \VASP-12b показывают, что вблизи планеты образуется сложная газодинамическая структура. Атмосфера планеты заполняет полость Роша, а из окрестностей точек Ь\ и ¿2 берут начало две газовых струи. Следуя закону сохранения импульса, поток из точки Ь\ отклоняется в направлении орбитального движения планеты, а поток из точки — в противоположную сторону. В стационар-

\

ном режиме, когда динамическое давление звездного ветра останавливает струю из точки ¿а, расстояние от центра планеты до конца струи остается неизменным и составляет около 6 радиусов планеты.

Сверхзвуковое движение планеты в звездном ветре приводит к образованию отошедшей ударной волны. Асимметрия оболочки планеты обусловливают сложную двугорбую форму ударной волны и контактного разрыва за ней. Точка лобового столкновения находится на конце струи из точки Ь\. Далее, ближе к планете, вокруг сферической части атмосферы планеты формируется второй горб ударной волны.

В главе 2 «Оболочки «горячих юпитеров» описывается предложенная классификация оболочек «горячих юпитеров» и ее сравнение с результатами численного моделирования планеты НО 209458Ь, а также обсуждаются фотометрические и спектроскопические проявления несферических оболочек.

В параграфе 2.1. «Типы оболочек «горячих юпитеров» представлены возможные типы оболочек «горячих юпитеров»: сферическая замкнутая, несферическая замкнутая и несферическая открытая. В зависимости от положения точки лобового столкновения все газовые оболочки вокруг «горячих юпитеров» можно разделить на два класса: если точка лобового столкновения лежит внутри полости Роша планеты, то оболочки имеют почти сферическую форму, слегка искаженную воздействием звезды и взаимодействием с газом звездного ветра; а если точка лобового столкновения находится за пределами полости Роша, то начинается истечение через окрестности точек Лагранжа ¿1 и и оболочка становится существенно несимметричной. Последний класс объектов также можно разделить на два типа. Если динамического давления газа звездного ветра достаточно для того, чтобы остановить истечение из внутренней точки Лагранжа Ь\, то в системе формируется замкнутая квазистационарная оболочка сложной формы, аналогичная рассмотренной в 1 главе оболочке планеты \¥А8Р-12Ь.

Если ветер не может остановить струю из L\, то в системе формируется незамкнутая несферическая оболочка.

В этом же параграфе на основе результатов численного моделирования рассмотрена форма оболочки «горячего юпитера» IiD 209458b. Эта планета — не только типичный представитель «горячих юпитеров», но и первая открытая транзитная экзопланета. Благодаря самой длинной и подробной истории наблюдений предполагается, что ее параметры известны с хорошей точностью. Однако из результатов моделирования видно, что все три принципиально отличающихся типа атмосфер могут существовать в диапазоне параметров, оцененных в настоящее время для этой планеты. Поскольку разные оболочки имеют различные наблюдательные проявления, определение ее типа может использоваться для наложения дополнительных ограничений на имеющийся набор параметров HD 209458b, как и других исследуемых экзопланет.

В параграфе 2.2. «Фотометрические проявления оболочек» описывается явление раннего начала транзита, обнаруженное в ходе наблюдений экзопланеты WASP-12b, и приводится объяснение этому явлению в рамках предложенной модели.

В 2009 году с помощью спектрографа COS, установленного на телескопе HST, были проведены наблюдения транзита «горячего юпитера» WASP-12b [7]. При этом было обнаружено, что в узких полосах УФ-диапазона транзит начинается на 50 мин раньше по сравнению с фотометрическими измерениями, что свидетельствует о наличии плотного горячего вещества впереди планеты на расстоянии около 4-5 ее радиусов в проекции на диск звезды. Этому явлению предлагалось несколько объяснений [9,10], однако все эти модели содержат серьезные недостатки.

В рамках развиваемой модели раннее начало транзита можно объяснить поглощением света в горячем веществе за фронтом ударной волны. В самом деле, результаты моделирования свидетельствуют о возможности

подобрать такие параметры звездного ветра и атмосферы планеты, что формирующаяся перед струей из точки L\ отошедшая ударная волна будет находиться на расстоянии 6 Rpi или 4.5 Rpi в проекции на диск звезды. Таким образом, результаты моделирования позволяют объяснить наблюдаемое явление раннего начала транзита наличием несферической оболочки. Благодаря тому, что расстояние, на котором останавливается струя, зависит от параметров атмосферы и звездного ветра, точные измерения раннего начала транзита позволят уточнить характеристики как планеты, так и звезды.

В параграфе 2.3 «Спектральные особенности оболочек «горячих юпитеров» рассматриваются явления, обнаруженные в ходе спектроскопических наблюдений планеты HD 209458b и предлагается объяснение этим явлениям в рамках модели несферических оболочек.

В ходе наблюдений планеты HD 209458b, проведенных со спектрографом STIS, установленном на космическом телескопе «Хаббл», в 2003-2004 году [4,5], было обнаружено, что глубина транзита в линии Ly-a, а также в линиях С II, О II составляет от 8 до 15 %, в то время как фотометрическая глубина транзита для этой планеты не превышает 1,8 %. Это говорит о наличии у планеты обширной газовой оболочки, состоящей в том числе из нейтрального водорода. Как отмечается выше, в системе HD 209458 согласно предложенной модели образуется обширная несферическая оболочка.

В 2009 году при исследовании транзита этой планеты с помощью спектрографа COS, установленного на IIST, было обнаружено, что линии С II и Si III помимо аномально высокого интегрального поглощения отличаются нетривиальной двугорбой формой [6]. В рамках предложенной модели это явление объясняется поглощением света звезды нагретым газом за ударной волной. Поскольку в этой области газ движется в противоположные стороны от точки лобового столкновения, поглощение в этих потоках может вызвать появление наблюдаемого двугорбого профиля.

В главе 3 «Влияние иадтепловых фотоэлектронов на свойства атмосфер «горячих юпитеров» приводится описание базовых принципов, заложенных в основу наиболее известных из существующих моделей верхних атмосфер «горячих юпитеров». Представлены основные преимущества разработанной в диссертационной работе модели. Также в главе представлены результаты численного моделирования термосферы планеты НО 209458Ь, на основании которых дается оценка вклада фотоэлектронов в ионизационные процессы.

В параграфе 3.1. «Равновесные модели термосферы «горячего юпитера» описываются существующие гидродинамические модели верхних атмосфер «горячих юпитеров». Все они исходят из предположения о локальном термодинамическом равновесии в этой области, то есть, пренебрегают надтепловыми частицами. Между тем, ранее в работе [11] было показано, что в термосферах «горячих юпитеров» под действием света звезды должно идти образование большого числа надтепловых частиц. Такие частицы могут играть значительную роль в атмосферных процессах, и, в частности, в процессах ионизации. В свою очередь, скорость ионизации влияет на структуру верхней атмосферы в целом.

В параграфе 3.2. «Процессы ионизации с учетом высокоэнергичных фотоэлектронов» представлены физико-химическая, математическая и численная модели, учитывающие надтепловые фотоэлектроны. Все процессы рассматриваются для случая одномерной плоскопараллельной атмосферы, состоящей из атомарного водорода, молекулярного водорода и гелия. Распределение нейтральных компонентов берется из общепринятых газодинамических моделей [12,13]. Фотоэлектроны рождаются по всей вы-

соте атмосферы в следующих ионизационных процессах:

Я + Нъ>/ё~ -* Н+ + е~, Я2 + Ни/ё~ Я^" + е~, Я2 + ку/е~ —> Я+ + Я + е".

Перенос фотоэлектронов рассчитывается путем решения уравнения Больц-мана методом прямого моделирования Монте-Карло. Концентрации компонентов атмосферы и степень ионизации вычисляются путем решения уравнений химической кинетики с учетом фотоионизации. Затем определяется изменение этих величин вследствие учета процесса ионизации фотоэлектронами.

В параграфе 3.3. «Расчет параметров атмосферы НВ 209458Ь с учетом фотоэлектронов» выполнены оценки вклада фотоэлектронов в состояние термосферы «горячего юпитера» НО 209458Ь. Результаты расчетов показывают, что в термосфере в области поглощения УФ-излучения ионизация фотоэлектронами сравнима с вкладом от фотоионизации, а на некоторых высотах превосходит ее. Отсюда делается вывод о некорректности пренебрежения надтепловыми частицами при моделировании верхних атмосфер «горячих юпитеров» и необходимости построения полных неравновесных моделей.

В параграфе 3.4. Определение эффективности нагрева атмосферы планеты НИ 209458Ь приводятся результаты расчета этой величины. Эффективность нагрева атмосферы показывает, какая доля поглощенной энергии УФ-излучения звезды преобразуется в тепло. Это параметр является одним из ключевых в энергетическом балансе термосферы. В параграфе приводится обзор работ, авторы которых пытались оценить этот параметр. Показывается, что существующие оценки эффективности нагре-

ва не согласуются между собой и демонстрируют разброс в диапазоне от 0.1 до 0.9, причем во многих работах надтепловые частицы во внимание не принимаются. Приведены расчеты эффективности нагрева с использованием нашей модели. Показано, что учет надтепловых частиц существенно снижает принятую в настоящее время эффективность нагрева. Согласно полученным результатам среднее значение эффективности нагрева будет равно 0.16.

В Заключении приводятся положения, выносимые на защиту, список работ, опубликованных на основе полученных результатов, описывается апробация результатов.

1. Газодинамика оболочек «горячих юпитеров»

1.1. Используемая модель

1.1.1. Физическая модель

В исследуемых системах планета и звезда находятся близко друг от друга, на расстоянии не больше нескольких радиусов звезды. При моделировании системы будут приниматься во внимание только два тела — звезда и «горячий юпитер». Можно считать, что такая система подобна тесным двойным звездам с большим отношением масс первичного и вторичного компонентов. Значит, для анализа процессов, происходящих в системе, можно применять методы, использующиеся для тесных двойных звезд.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ионов, Дмитрий Эрикович, 2014 год

Литература

1. Murray-Clay R. A., Chiang E. I., Murray N. Atmospheric Escape From Hot Jupiters // Astrophys. J.. - 2009. - Mar. - Vol. 693. - Pp. 23-42.

2. Mayor M., Queloz D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star // Nature. - 1995. - Nov. - Vol. 378. - Pp. 355-359.

3. Detection of Planetary Transits Across a Sun-like Star / D. Charbonneau, T. M. Brown, D. W. Latham, M. Mayor // Astrophys. J. (Letters).— 2000. - Jan. - Vol. 529. - Pp. L45-L48.

4. An extended upper atmosphere around the extrasolar planet HD209458b / A. Vidal-Madjar, A. Lecavelier des Etangs, J.-M. Désert et al. // Nature. —

2003. - Mar. - Vol. 422. - Pp. 143-146.

5. Detection of Oxygen and Carbon in the Hydrodynamically Escaping Atmosphere of the Extrasolar Planet HD 209458b / A. Vidal-Madjar, J.-M. Désert, A. Lecavelier des Etangs et al. // Astrophys. J. (Letters).—

2004. - Mar. - Vol. 604. - Pp. L69-L72.

6. Observations of Mass Loss from the Transiting Exoplanet HD 209458b / J. L. Linsky, H. Yang, K. France et al. // Astrophys. J.. — 2010.— Jul.— Vol. 717. - Pp. 1291-1299.

7. Metals in the Exosphere of the Highly Irradiated Planet WASP-12b / L. Fossati, C. A. Haswell, C. S. Froning et al. // Astrophys. J. (Letters). — 2010. - May. - Vol. 714. - Pp. L222-L227.

8. Evaporation of the planet HD 189733b observed in H I Lyman-a; /

A. Lecavelier Des Etangs, D. Ehrenreich, A. Vidal-Madjar et al. // Astron. and Astrophys.. — 2010. — May. — Vol. 514. — P. A72.

9. Lai D., Helling С., van den Heuvel E. P. J. Mass Transfer, Transiting Stream, and Magnetopause in Close-in Exoplanetary Systems with Applications to WASP-12 // Astrophys. J.. - 2010. - Oct. - Vol. 721. - Pp. 923928.

10. Vidotto A. A., Jardine M., Helling С. Early UV Ingress in WASP-12b: Measuring Planetary Magnetic Fields // Astrophys. J. (Letters). — 2010. — Oct. - Vol. 722. - Pp. L168-L172.

11. Шематович В. И. Надтепловой водород в протяженной верхней атмосфере экзопланеты HD209458b за счет диссоциации молекулярного водорода. // Астрон. Вести.- 2010.- Т. 44. - С. 108-117.

12. Garcia Munoz A. Physical and chemical aeronomy of HD 209458b // Planet. Space Sei.. - 2007. - Jul. - Vol. 55. - Pp. 1426-1455.

13. Yelle R. V. Aeronomy of extra-solar giant planets at small orbital distances // Icarus. - 2004. - Jul. - Vol. 170. - Pp. 167-179.

14. Spitzer/MIPS 24 /im Observations of HD 209458b: Three Eclipses, Two and a Half Transits, and a Phase Curve Corrupted by Instrumental Sensitivity Variations / I. J. M. Crossfield, H. Knutson, J. Fortney et al. // Astrophys. J.. ~ 2012. - Jun. - Vol. 752. - P. 81.

15. The Transit Light-curve Project. XIV. Confirmation of Anomalous Radii for the Exoplanets TrES-4b, HAT-P-3b, and WASP-12b / T. Chan, M. In-gemyr, J. N. Winn et al. // Astronom. J.. — 2011. —Jun.— Vol. 141,— P. 179.

16. Schneider J. The extrasolar planets encyclopaedia. — 2013. http://exoplanet.eu.

17. Withbroe G. L. The temperature structure, mass, and energy flow in the corona and inner solar wind // Astrophys. J.. — 1988. — Feb. — Vol. 325. — Pp. 442-467.

18. On the age of stars harboring transiting planets / C. Melo, N. C. Santos, F. Pont et al. // Astron. and Astrophys..- 2006.-Dec.- Vol. 460.-Pp. 251-256.

19. Showman A. P., Guillot T. Atmospheric circulation and tides of "51 Pegasus b-like" planets // Astron. and Astrophys.. — 2002. — Apr. — Vol. 385. — Pp. 166-180.

20. The effect of tidal locking on the magnetospheric and atmospheric evolution of "Hot Jupiters" / J.-M. Griefimeier, A. Stadelmann, T. Penz et al. // Astron. and Astrophys.. - 2004. - Oct. - Vol. 425. - Pp. 753-762.

21. Sanchez-Lavega A. The Magnetic Field in Giant Extrasolar Planets // Astrophys. J. (Letters). - 2004. - Jul. - Vol. 609. - Pp. L87-L90.

22. Searching for Far-ultraviolet Auroral/Dayglow Emission from HD 209458b / K. France, J. T. Stocke, H. Yang et al. // Astrophys. J..— 2010. - Apr. - Vol. 712. - Pp. 1277-1286.

23. GMRT radio observations of the transiting extrasolar planet HD 189733 b at 244 and 614 MHz / A. Lecavelier Des Etangs, S. K. Sirothia, Gopal-Krishna, P. Zarka // Astron. and Astrophys.. — 2009. — Jun. — Vol. 500.— Pp. L51-L54.

24. Mass transfer in close binary stars / A. A. Boyarchuk, D. V. Bisikalo, O. A. Kuznetsov, V. M. Chechetkin. — London: Taylor & Francis.

25. Roe P. Characteristic-based schemes for the euler equations // Annual rewiew of fluid mechanics. — 1986. — Vol. 18. — Pp. 337-365.

26. Кайгородов П. В., Кузнецов О. А. Адаптация схемы Роу-Ошера для компьютеров с массивно-параллельной архитектурой. — Москва: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2002.

27. Кайгородов П. В. Практические вопросы адаптации вычислительных кодов, использующих явные методы, к многопроцессорной архитектуре. — Москва: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2002.

28. Баранов В. Б., Краснобаев К. В. Гидродинамическая теория космической плазмы. — Москва: Наука, 1977.

29. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. — Москва: Наука, 1988.

30. Planetary bow shocks: Gasdynamic analytic approach / M. Verigin, J. Slavin, A. Szabo et al. // Journal of Geophysical Research (Space Physics). - 2003. - Aug. - Vol. 108. - P. 1323.

31. WASP-12b as a prolate, inflated and disrupting planet from tidal dissipation / S.-L. Li, N. Miller, D. N. C. Lin, J. J. Fortney // Nature. - 2010. -Feb. - Vol. 463. - Pp. 1054-1056.

32. Pringle J. E., Wade R. A. Interacting binary stars. — Cambridge University Press, 1985.

33. Baraffe I., Chabrier G., Barman T. The physical properties of extrasolar planets // Reports on Progress in Physics. — 2010.— Jan. — Vol. 73, no. 1. - P. 016901.

34. WASP-12b: The Hottest Transiting Extrasolar Planet Yet Discovered / L. Hebb, A. Collier-Cameron, B. Loeillet et al. // Astrophys. J.. — 2009. — Mar. - Vol. 693. - Pp. 1920-1928.

35. Characterizing the Thermosphere of HD209458b with UV Transit Observations / Т. T. Koskinen, R. V. Yelle, P. Lavvas, N. K. Lewis // Astrophys. J.. - 2010. - Nov. - Vol. 723. - Pp. 116-128.

36. Savonije G. J. Roche-lobe overflow and massive X-ray binary systems // Astron. and Astrophys.. — 1979. - Jan. - Vol. 71. - Pp. 352-358.

37. Lubow S. H., Shu F. H. Gas dynamics of semidetached binaries // Astrophys. J.. - 1975. - Jun. - Vol. 198. - Pp. 383-405.

38. Морфология взаимодействия струи и холодного аккреционного диска в полуразделенных двойных системах / Д. В. Бисикало, А. А. Боярчук, П. В. Кайгородов и др. // Астрой, журн. - 2003. - Т. 80. - С. 879-890.

39. Фридман А. М., Бисикало Д. В. Природа аккреционных дисков тесных двойных звезд: неустойчивость сверхотражения и развитая турбулентность // УФН. - 2008. - Т. 178. - С. 577-604.

40. Жилкин А. Г., Бисикало Д. В., Боярчук А. А. Структура течения в тесных двойных звёздах с учётом магнитного поля // УФН. — 2012. — Т. 182. - С. 121-145.

41. Three-dimensional Gas Dynamic Simulation of the Interaction between the Exoplanet WASP-12b and its Host Star / D. Bisikalo, P. Kaygorodov, D. Ionov et al. // Astrophys. J.. - 2013. - Feb. - Vol. 764. - P. 19.

42. Vidotto A. A., Jardinc M., Helling C. Prospects for detection of exoplanet magnetic fields through bow-shock observations during transits // MN-RAS. - 2011. - Feb. - Vol. 411. - Pp. L46-L50.

43. The escape of heavy atoms from the ionosphere of HD209458b. I. A photochemical-dynamical model of the thermosphere / Т. T. Koskinen, M. J. Harris, R. V. Yelle, P. Lavvas // Icarus. - 2013. - Nov. - Vol. 226. -Pp. 1678-1694.

44. Бисикало Д. В., Жилкин А. Г., Боярчук А. А. Газодинамика тесных двойных звезд. — Москва: Физматлит, 2013.

45. Disequilibrium Carbon, Oxygen, and Nitrogen Chemistry in the Atmospheres of HD 189733b and HD 209458b / J. I. Moses, C. Visscher, J. J. Fortney et al. // Astrophys. J.. - 2011. - Aug. - Vol. 737. - P. 15.

46. Vidotto A. A., Jardine M., Helling С. Transit variability in bow shock-hosting planets // MNRAS. - 2011. - Jun. - Vol. 414. - Pp. 1573-1582.

47. Gas Dynamic Simulation of the Star-Planet Interaction using a Binary Star Model // IAU Symposium / Ed. by M. T. Richards, I. Hubeny. - Vol. 282 of IA U Symposium. - 2012. - Apr. - Pp. 545-546.

48. The shocking transit of WASP-12b: modelling the observed early ingress in the near-ultraviolet / J. Llama, K. Wood, M. Jardine et al. // MNRAS. — 2011. - Sep. - Vol. 416. - Pp. L41-L44.

49. Ben-Jaffel L. Exoplanet HD 209458b: Inflated Hydrogen Atmosphere but No Sign of Evaporation // Astrophys. J. (Letters). — 2007.— Dec. — Vol. 671. - Pp. L61-L64.

50. Ben-Jaffel L. Spectral, Spatial, and Time Properties of the Hydrogen Nebula around Exoplanet HD 209458b // Astrophys. J.. — 2008. - Dec. - Vol. 688.- Pp. 1352-1360.

51. Exoplanet HD 209458b (Osiris): Evaporation Strengthened / A. Vidal-Madjar, A. Lecavelier des Etangs, J.-M. Désert et al. // Astrophys. J. (Letters). - 2008. - Mar. - Vol. 676. - Pp. L57-L60.

52. HST-COS observations of the transiting extrasolar planetary system HD 209458b / K. France, J. L. Linsky, H. Yang et al. // Astrophys. and Space S ci.. - 2011. - Sep. - Vol. 335. - Pp. 25-32.

53. Ionization of Extrasolar Giant Planet Atmospheres / T. T. Koskinen, J. Y.K. Cho, N. Achilleos, A. D. Aylward // Astrophys. J.. - 2010. - Oct. - Vol. 722. - Pp. 178-187.

54. The escape of heavy atoms from the ionosphere of HD209458b. II. Interpretation of the observations / T. T. Koskinen, R. V. Yelle, M. J. Harris, P. Lavvas // Icarus. - 2013. - Nov. - Vol. 226. - Pp. 1695-1708.

55. Ehrenreich D., Désert J.-M. Mass-loss rates for transiting exoplanets // Astron. and Astrophys.. - 2011. - May. - Vol. 529. - P. A136.

56. Atmospheric escape from hot Jupiters / A. Lecavelier des Etangs, A. Vidal-Madjar, J. C. McConnell, G. Hébrard // Astron. and Astrophys.. — 2004. — Apr. - Vol. 418. - Pp. L1-L4.

57. Mass loss of Hot Jupiters - Implications for CoRoT discoveries. Part I: The importance of magnetospheric protection of a planet against ion loss caused by coronal mass ejections / M. L. Khodachenko, H. Lammer, H. I. M. Licht-enegger et al. // Planet. Space Sei.. — 2007.—Apr. — Vol. 55.— Pp. 631642.

58. Mass loss from Hot Jupiters - Implications for CoRoT discoveries, Part II: Long time thermal atmospheric evaporation modeling / T. Penz, N. V. Erkaev, Y. N. Kulikov et al. // Planet. Space Sei.. - 2008,-Jul.-Vol. 56. - Pp. 1260-1272.

59. Ballester G. E.; Sing D. K., Herbert F. The signature of hot hydrogen in the atmosphere of the extrasolar planet HD 209458b // Nature. — 2007. — Feb. - Vol. 445. - Pp. 511-514.

60. Huebner W. F., Keady J. J., Lyon S. P. Solar photo rates for planetary atmospheres and atmospheric pollutants // Astrophys. and Space Sei..— 1992. - Sep. - Vol. 195. - Pp. 1-289.

61. Monte Carlo model of electron transport for the calculation of Mars dayglow emissions / V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, J.-C. Gérard et al. // Journal of Geophysical Research (Planets). - 2008. - Feb. - Vol. 113. - P. 2011.

62. Garvey R. H., Green A. E. S. Energy-apportionment techniques based upon detailed atomic cross sections // Phys. Rev. A.— 1976. —Sep.— Vol. 14. - Pp. 946-953.

63. Jackman C. H., Garvey R. H., Green A. E. S. Electron impact on atmospheric gases. I - Updated cross sections // J. Geophys. Res.. — 1977.— Nov. - Vol. 82. - Pp. 5081-5090.

64. Garvey R. H., Porter H. S., Green A. E. S. An analytic degradation spectrum for H2 // J. Applied Physics.- 1977.- Vol. 48. - Pp. 190-193.

65. Shyn T. W., Sharp W. E. Angular distributions of electrons elastically scattered from II2 // Phys. Rev. A. - 1981. - Oct. - Vol. 24.- Pp. 17341740.

66. Dalgarno A., Yan M., Liu W. Electron Energy Deposition in a Gas Mixture of Atomic and Molecular Hydrogen and Helium // Astrophys. J. Suppl.. — 1999. - Nov. - Vol. 125. - Pp. 237-256.

67. Cecchi-Pestellini C., Ciaravella A., Micela G. Stellar X-ray heating of planet atmospheres // Astron. and Astrophys.. — 2006.— Nov. — Vol. 458.— Pp. L13-L16.

68. The relative role of EUV radiation and X-rays in the heating of hydrogen-rich exoplanet atmospheres / C. Cecchi-Pestellini, A. Ciaravella, G. Micela, T. Penz // Astron. and Astrophys.. - 2009. - Mar. - Vol. 496. - Pp. 863868.

69. Atmospheric Loss of Exoplanets Resulting from Stellar X-Ray and

Extreme-Ultraviolet Heating / H. Lammer, F. Selsis, I. Ribas et al. // Astrophys. J. (Letters). - 2003. - Dec. - Vol. 598. - Pp. L121-L124.

70. The effect of evaporation on the evolution of close-in giant planets / I. Baraffe, F. Selsis, G. Chabrier et al. // Astron. and Astrophys.. — 2004. — May. - Vol. 419. - Pp. L13-L16.

71. A Mass Function Constraint on Extrasolar Giant Planet Evaporation Rates / W. B. Hubbard, M. F. Hattori, A. Burrows, I. Hubeny // ,4s-trophys. J. (Letters). - 2007. - Mar. - Vol. 658. - Pp. L59-L62.

72. Effects of mass loss for highly-irradiated giant planets / W. B. Hubbard, M. F. Hattori, A. Burrows et al. // Icarus. — 2007. — Apr. - Vol. 187. — Pp. 358-364.

73. Lecavelier Des Etangs A. A diagram to determine the evaporation status of extrasolar planets // Astron. and Astrophys.. — 2007. — Jan. — Vol. 461. — Pp. 1185-1193.

74. Davis T. A., Wheatley P. J. Evidence for a lost population of close-in exoplanets // MNRAS. - 2009. - Jun. - Vol. 396. - Pp. 1012-1017.

75. Estimation of the XUV radiation onto close planets and their evaporation / J. Sanz-Forcada, G. Micela, I. Ribas et al. // Astron. and Astrophys.. — 2011. - Aug. - Vol. 532. - P. A6.

76. A closely packed system of low-mass, low-density planets transiting Kepler-11 / J. J. Lissauer, D. C. Fabrycky, E. B. Ford et al. // Nature.- 2011. — Feb. - Vol. 470. - Pp. 53-58.

77. Planets and X-rays: a Radiation Diet // 16th Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems, and the Sun / Ed. by C. Johns-Krull, M. K. Browning, A. A. West. — Vol. 448 of Astronomical Society of the Pacific Conference Series. - 2011. - Dec. - P. 1247.

78. Lanza A. F. Star-planet magnetic interaction and evaporation of planetary atmospheres // Astron. and Astrophys.. — 2013. — Sep. — Vol. 557. — P. A31.

79. Wu Y., Lithwick Y. Density and Eccentricity of Kepler Planets // Astrophys. J.. - 2013. - Jul. - Vol. 772. - P. 74.

80. Starspots-Transit Depth Relation of the Evaporating Planet Candidate KIC 12557548b / H. Kawahara, T. Hirano, K. Kurosaki et al. // Astrophys. J. (Letters). - 2013. - Oct. - Vol. 776. - P. L6.

81. 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. - Nov. - Vol. 48. - Pp. 150-166.

82. Chassefiere E. Hydrodynamic escape of hydrogen from a hot water-rich atmosphere: The case of Venus //J. Geophys. Res.. — 1996. — Nov. — Vol. 101.- Pp. 26039-26056.

83. Determining the mass loss limit for close-in cxoplanets: what can we learn from transit observations? / H. Lammer, P. Odert, M. Leitzinger et al. // Astron. and Astrophys.. - 2009. - Oct. - Vol. 506. - Pp. 399-410.

84. The roles of tidal evolution and evaporative mass loss in the origin of CoRoT-7 b / B. Jackson, N. Miller, R. Barnes et al. // MNRAS. - 2010. -Sep. - Vol. 407. - Pp. 910-922.

85. Could CoRoT-7b and Kepler-lOb be remnants of evaporated gas or ice giants? / M. Leitzinger, P. Odert, Y. N. Kulikov et al. // Planet. Space Sci.. - 2011. - Oct. - Vol. 59. - Pp. 1472-1481.

86. Jackson A. P., Davis T. A., Wheatley P. J. The coronal X-ray-age relation and its implications for the evaporation of exoplanets // MNRAS. — 2012. - May. - Vol. 422. - Pp. 2024-2043.

87. Lopez E. D., Fortney J. J., Miller N. How Thermal Evolution and Mass-loss Sculpt Populations of Super-Earths and Sub-Neptunes: Application to the Kepler-11 System and Beyond // Astrophys. J.. — 2012.— Dec. — Vol. 761. - P. 59.

88. Lopez E. D., Fortney J. J. The Role of Core Mass in Controlling Evaporation: The Kepler Radius Distribution and the Kepler-36 Density Dichotomy // Astrophys. J.. - 2013. - Oct. - Vol. 776. - P. 2.

89. Kurokawa H., Kaltenegger L. Atmospheric mass-loss and evolution of short-period exoplanets: the examples of CoRoT-7b and Kepler-10b // MN-RAS. - 2013. - Aug. - Vol. 433. - Pp. 3239-3245.

90. Bulk Composition of GJ 1214b and Other Sub-Neptune Exoplanets / D. Valencia, T. Guillot, V. Parmentier, R. S. Freedman // Astrophys. J..— 2013. - Sep. - Vol. 775. - P. 10.

91. XUV-Exposed, Non-Hydrostatic Hydrogen-Rich Upper Atmospheres of Terrestrial Planets. Part I: Atmospheric Expansion and Thermal Escape / N. V. Erkaev, H. Lammer, P. Odert et al. // Astrobiology. — 2013. — Nov. — Vol. 13. - Pp. 1011-1029.

92. Probing the blow-off criteria of hydrogen-rich 'super-Earths' / H. Lammer, N. V. Erkaev, P. Odert et al. // MNRAS. — 2013.-Apr.- Vol. 430,-Pp. 1247-1256.

93. XUV-Exposed, Non-Hydrostatic Hydrogen-Rich Upper Atmospheres of Terrestrial Planets. Part II: Hydrogen Coronae and Ion Escape / K. G. Kislyakova, H. Lammer, M. Holmström et al. // Astrobiology. — 2013. - Nov. - Vol. 13. - Pp. 1030-1048.

94. Kasting J. F., Pollack J. B. Loss of water from Venus. I - Hydrodynamic escape of hydrogen // Icarus. — 1983. — Mar. — Vol. 53. — Pp. 479-508.