Газодинамические особенности оболочек экзопланет класса "горячий юпитер" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Ионов Дмитрий Эрикович

Газодинамические особенности оболочек экзопланет класса «горячий юпитер»

01.03.02 - астрофизика и звездная астрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 ¿СЕН 2014

005552745 Санкт-Петербург - 2014

005552745

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте астрономии Российской академии наук

Научный руководитель:

член-корр. РАН, профессор, доктор физико-математических наук Бисикало Дмитрий Валерьевич;

Официальные оппоненты:

Холтыгин Александр Федорович, доктор физико-математических наук,

профессор Кафедры астрономии Санкт-Петербургского государственного университета;

Куликов Юрий Николаевич, кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Полярного геофизического института РАН

Ведущая организация:

Институт космических исследований РАН

Защита состоится 17 октября 2014 г. в 12 часов 45 мин на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 при Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д.

65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН. Автореферат разослан «16» сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Е.В. Милецкий

Общая характеристика работы 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 превышающих 0.1 а.е. [1]. Исторически именно «горячие юпитеры» стали первыми открытыми экзо-иланетами [2], поэтому они имеют самую длинную историю изучения среди экзопланет. Первый транзитный «горячий юпитер» — планету HD 209458b — 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 все-

го качественной наблюдательной информации. Наличие мощной атмосферы позволяет извлечь большое количество инофрмации 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: НБ 209458Ь для линий Ьу — а, О II, С II, III [4, 5, 6], планеты \VASP-12b для линий УФ-диапазона [7], планеты НВ 189733Ь для линии Ьу — а [8]. Другое необычное явление — это раннее начало транзита, впервые открытое для планеты \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 Б! III атмосферы планеты НБ 209458Ь имеют необычную двугорбую форму.

Попытки интерпретации этих явлений предпринимались неоднократно. 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 планет, 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 Ь2. 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 нетер-мализованных частиц. Между тем, в опубликованных ранее аэрономических 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 1Ш 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 Лагран-жа, 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 долгоживущей.

Проведено численное моделирование структуры течения в окрестности планеты ГШ 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 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 \VASP-12b. Ранний транзит у планеты \VASP-12b объясняется поглощением в плотном горячем газе, находящемся за ударной волной. Показано, что формирование у планеты \VASP-12b несферической оболочки приводит к сдвигу ударной волны от планеты на расстояние в несколько ее радиусов

в направлении ее движения. Появление двугорбых линий в спектре планеты НО 209458Ь объясняется поглощением света звезды в области 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 вохможности существования нссферической оболочки.

Апробация результатов

Соискатель имеет 8 опубликованных работ, из них по теме диссертации опубликовано 8 научных работ общим объёмом 3,5 печатных листов, в том числе 2 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования

основных научных результатов диссертаций, а также 1 работа в зарубежных научных изданиях; 5 работ опубликованы в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Результаты диссертации были представлены на следующих конференциях: IAU Symposium 282 (г. Татранска Ломница, Словакия, 2011); Астрофизика высоких энергий — 2011 (ИКИ РАН, г. Москва, 2011); Астрономия в эпоху информационного взрыва (ГАИШ МГУ, г. Москва, 2012); 39th COSPAR Scientific Assembly (Майсур, Индия, 2012); IAU XXVIII General Assembly (Пекин, Китай, 2012); Astronum - 2012 (Каилуа, США, 2012); Всероссийская астрономическая конференция - 2013 (Санкт-Петербург, 2013). Кроме того, результаты работы докладывались на ежегодных студенческих конференциях «Физика Космоса» в Коуровской Обсерватории УрФУ (в 2012, 2013 и 2014 гг.), семинаре Института астрономии РАН, семинаре ГАИШ МГУ, а также семинарах Международного института космических исследований — ISSI (г. Берн, Швейцария, 2012, 2013 г).

Личный вклад автора

В ходе выполнения диссертационной работы автор обеспечивал проведение выичслений, написал несколько модулей к использованным программам, принимал активное частие в обсуждении постановки задачи и полученных результатов.

В работах, результаты которых представленах в главе 1 и 2, участие автора в постановке задачи и формулировании выводов равное с другими соавторами. Кроме того, автор совершил частичную модификацию вычислительного кода и провел большую часть расчетов.

В исследованиях, результаты которых представлены в главе 3, автор модифицировал вычислительный код (написал модули расчета концентрации компонентов атмосферы и модуль расчета эффективности нагрева атмосферы), провел расчеты, а также активно участвовал в формулировании выводов.

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 WASP-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 газодинамические трехмерные уравнения Эйлера, замыкаемые уравнением состояния идеального газа. Для численного решения этой системы уравнений используется разностная схема Роу-Ошера-Эйнфельдта, относящаяся к годуновскому 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 сгорячих юпитеров» со звездным ветром» описываются газодинамические структуры, 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 1Ш 209458Ь и \VASP-12b, переполняют свои полости Роша. Такое переполнение вызывает истечение через окрестность точки Лагранжа!«! (и, возможно, Ь2). Для определенных из наблюдений степеней переполнения 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, вызванное сверхзвуковым движением планеты в газе звездного 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 долгоживу-

1(1

щей.

В параграфе 1.3 «Несферическая оболочка экэопланеты \VASP-12b» описываются результаты численного моделирования системы \YASP-12.

\YASP-12b — типичный «горячий юпитер» с массой МР1 = 1.4 М/ и радиусом Др; = 1.74 Дд, 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.

10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 Ц" 0.00 -2.00 -4.00 -6.00 -8.00 -10.00

-15.00 -12.50 -10.00 -7.50 -5.00 -2.50 0.00 2.50 5.00 7.50 10.ОС

Х/Лр1

Рис. 1: Распределение плотности и вектора скорости в экваториальной плоскости системы \VASP-12. Планета показана белым кружком в центре рисунка, расстояния по осям даны в ее радиусах.

Результаты численного моделирования планеты \VASP-12b показаны на рис. 1. Видно, что вблизи планеты образуется сложная газодинамическая

структура. Атмосфера планеты заполняет полость Роша, а из окрестностей точек ¿1 и Ь2 берут начало две газовых струи. Следуя закону сохранения импульса, поток из точки Ь\ отклоняется в направлении орбитального движения планеты, а поток из точки ¿2 — в противоположную сторону. В стационарном режиме, когда динамическое давление звездного ветра останавливает струю из точки Ь\, 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 1Ш 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£а и ¿21 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 \VASP-12b. Если ветер не может остановить струю из Ь\, то в системе формируется незамкнутая несферическая оболочка.

В этом же параграфе на основе результатов численного моделирования

рассмотрена форма оболочки «горячего юпитера» HD 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 экзо-планет.

В параграфе 2.2. «Фотометрические проявления оболочек» описывается явление раннего начала транзита, обнаруженное в ходе наблюдений экзопла-неты 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-12Ь [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 (см. рис. 1) 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 Rvi 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 <гСпектральные 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 И, 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 нами модели, также как и в системе WASP-12 (см. рис. 1), образуется обширная несферическая оболочка.

В 2009 году при исследовании транзита этой планеты с помощью спектрографа COS, установленного на HST, 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 надтепловых 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 HD 209458b, 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 надтеп-ловыми 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 высоте атмосферы в следующих ионизационных процессах:

Н + ки/е~ -*■#+ +е-, Н2 + Ни/е~ ->■ Щ + е", #2 + Ьи/е~ -> Н+ + Н + е~.

Перенос фотоэлектронов рассчитывается путем решения уравнения Больцма-на 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 1Ш 209458Ь с учетом фотоэлектронов» выполнены оценки вклада фотоэлектронов в состояние термосферы «горячего юпитера» НБ 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 НО 209458Ъ» 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 нагрева не согласуются между собой и демонстрируют разброс в диапазоне от 0.1 до 0.9, причем во многих работах надтешювые 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.

1П

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основе результатов трехмерного газодинамического моделирования взаимодействия экзопланеты класса «горячий юпитер» со звездным ветром на примере системы \VASP-12 показана возможность существования у такого типа экзопланет замкнутых сильно несферических оболочек. Переполнение полости Роша планеты приводит к заметному истечению атмосферы в направлении точек Ь\ к Ьъ В силу сохранения углового момента вещества поток в направлении на Ь\ отклоняются по ходу движения планеты, а поток в направлении па в противоположную сторону. В результате, вблизи планеты формируется несферическая оболочка. Сверхзвуковое движение планеты и ее оболочки в газе звездного ветра приводит к формированию отошедшей ударной волны сложной формы. При этом динамическое давление звездного ветра прекращает активную потерю вещества атмосферы планеты через окрестности точек ¿1 и и позволяет рассматривать полученную структуру течения стационарной и долгоживущей. Полученные в расчетах параметры оболочки соответствуют имеющимся наблюдениям.

2. Введена классификация газовых оболочек экзопланет класса «горячий юпитер». Установлено, что вокруг таких экзопланет могут формироваться оболочки трех типов: сферическая замкнутая, несферическая замкнутая и открытая. В последних двух случаях точка лобового столкновения выходит за пределы полости Роша, в результате чего начинается истечение из точек Лагранжа, однако в случае несферической замкнутой оболочки истечение останавливается потоком звездного ветра. Введены аналитические критерии существования каждого типа оболочек. На примере типичного «горячего юпитера», НБ 209458Ь, показано, 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 атмосферы «горячего юпитера» и звездного ветра.

3. Дано объяснение наблюдаемым фотометрическим и спектроскопическим особенностям оболочек экзопланет класса «горячий юпитер». Показано, что формирование несферической оболочки и отошедшей ударной волны является причиной появления раннего начала транзита в полосах УФ-диапазона и аномально большой глубины транзита в спектральных линиях, что наблюдается у планет 1Ш 209458Ь, \VASP-12b и ЬШ 189733Ь. Кроме того, образование отошедшей ударной волны позволяет объяснить существование наблюдаемых двугорбых линий поглощения в спектре экзопланеты НБ 209458Ь. Действительно, существование за фронтом ударной волны потоков, текущих в противоположные стороны от точки лобового столкновения должно привести к появлению двугорбых линий поглощения при поглощении излучения звезды в этих потоках.

4. Рассмотрено влияние надтепловых фотоэлектронов на состояние термосферы «горячего юпитера». Впервые рассчитаны скорости ионизации термосферы экзопланеты 1ГО 209458Ь потоком фотоэлектронов. Установлено, что скорость ионизации, вызванной фотоэлектронами сравнима, а на малых высотах даже превосходит скорость фотоионизации. Таким образом, показано, что учет надтепловых частиц необходим для корректного моделирования верхних атмосфер «горячих юпитеров».

Публикации по теме диссертации

Перечень работ, в которых опубликованы результаты диссертации:

1. Bisikalo, D.V., Kaygorodov, P. V., Ionov, D. E., Shematovich, V. I., Lammer, H., Fossati, L. Simulation of the interaction between WASP-12b and its host star. // Astrophys. J. 2013. 764. 19.

2. Bisikalo, D.V., Kaygorodov, P. V., Ionov, D. E. Three-dimensional Gas Dynamic Simulations of the Interaction Between the Stellar Wind and Non-magnetized Exoplanets // ASP Conference Series, Vol. 474. 2013. c. 41-46.

3. Д. В. Бисикало, П. В. Кайгородов, Д. Э. Ионов, В. И. Шематович Типы газовых оболочек экзопланет, относящихся к классу «горячих юпитеров». // Астрономический журнал. 2013. т. 90. с. 779-790.

4. Ionov, D. Е., Bisikalo, D. V., Kaygorodov, P. V., Shematovich, V. I. Gas dynamic simulation of the star-planet interaction using a binary star model. // Proceedings of the IAU Symposium. 2012. 282. c. 545-546.

5. Д. Э. Ионов, Д. В. Бисикало, В. И. Шематович, Б. Хубер Степень ионизации термосферы экзопланеты HD209458b. // Астрономический вестник. 2014. т. 48, N 2, с. 113-119.

6. Д. Э. Ионов, Д. В. Бисикало, П. В. Кайгородов, В. И. ШематовичТазо-динамическое моделирование взаимодействия атмосферы экзопланеты со звездным ветром. // Физика космоса: Труды 41-ой Международной студенческой научной конференции. 2012. с. 241

7. Д. Э. Ионов, Д. В. Бисикало, В. И. Шематович Степень ионизации термосферы экзопланеты HD209458b. // Физика космоса: Труды 42-ой Международной студенческой научной конференции. 2013. с. 159

8. Д. Э. Ионов, Д. В. Бисикало, В. И. Шематович Эффективность нагрева атмосферы экзопланеты HD209458b. // Физика космоса: Труды 43-ой Международной студенческой научной конференции. 2014. с. 202

Список литературы

[1] Murray-Clay R. A., Chiang, E. I. k Murray, N. Atmospheric escape from hot juputers // Astrophys. J. 2009. 693. P. 23

[2] Mayor M. & Queloz D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. // Nature. 1995. 378. Pp. 355-359

[3] Charbonneau D., Brown T. M., Latham D. W., Mayor M. Detection of Planetary Transits Across a Sun-like Star. // Astrophys. J. 2000. 529. Pp. L45-L48

[4] An extended upper atmosphere around the extrasolar planet HD209458b / Vidal-Madjar A. A., Lecavelier des Etangs, Desert J.-M. et al. // Nature. 2003. 422. P. 143

[5] Detection of Oxygen and Carbon in the Hydrodynamically Escaping Atmosphere of the Extrasolar Planet HD 209458b. / Vidal-Madjar A., Desert J.-M., Lecavelier des Etangs et al. // Astrophys. J., Lett. 2004. 604. P. L69.

[6] Observations of Mass Loss from the Transiting Exoplanet HD 209458b. / Linsky J., Yang H., France K. et al. // Astrophys. J. 2010. 717. Pp. 12911299.

[7] Metals in the Exosphere of the Highly Irradiated Planet WASP-12b. / Fossati L., Haswell C. A., Froning C. S. et al. // Astrophys. J., Lett. 2010. 714. P. L222

[8] A. Lecavelier des Etangs, S. K. Sirothia, Gopal-Krishna, & P. Zarka GMRT radio observations of the transiting extrasolar planet HD 189733 b at 244 and 614 MHz // Astron. and Astrophys. 2009. 500. Pp. L51-L54

[9] Lai, D., Helling, Ch. & E. P. J. van den Heuvel. Mass Transfer, Transiting Stream, and Magnetopause in Close-in Exoplanetary Systems with Applications to WASP-12. // Astrophys. J. 2010. 721. P. 923

[10] Vidotto A.A., Jardine M., Helling Ch. Early UV Ingress in WASP-12b: Measuring Planetary Magnetic Fields. // Astrophys. J., Lett. 2010. 722 P. L168

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

[12] Garcia Munoz A. Physical and chemical aeronoray of HD 209458b// Planet. Space Sci. 2007. V. 55. P. 1426-1455.

[13] Yelle R. Aeronomy of extra-solar giant planets at small orbital distances// Icarus. 2004. V. 170. P. 167-179.

Подписано в печать:

01.07.2014

Заказ № 10096 Тираж - 100 :жз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wwvv.autoreferat.ru