Экзосфера горячих экзопланет и ее наблюдательные проявления

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-12-00080

НазваниеЭкзосфера горячих экзопланет и ее наблюдательные проявления

Руководитель Шайхисламов Илдар Фаритович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-503 - Ионосферная и космическая плазма

Ключевые слова космическая плазма, экзосфера, экзопланета, планетарный ветер, плазмосфера, магнитосфера, численное моделирование, лабораторный эксперимент

Код ГРНТИ29.27.45

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте предлагаются исследования близко-орбитальных или короткопериодных, экзопланет – астрофизических объектов нового типа, обладающих обширной и плотной газо-плазменной экзосферой нагреваемой ионизующей радиацией звезды. Транзитные спектральные наблюдения в ВУФ спектре по поглощению звездных линий таких элементов как водород, кислород, углерод могут дать уникальную информацию о составе атмосферы, скорости потери массы в форме истекающего планетарного вещества и параметрах звездного ветра, с которым взаимодействует экзосфера экзопланеты. В настоящее время стоит задача объяснить механизм образования энергичных нейтральных атомов и ионов планетарного происхождения, ответственный за поглощение на далеких спектральных крыльях в диапазоне Допплеровских скоростей смещения 30-200 км/с, обнаруженное у ряда экзопланет. Эта задача активно решается рядом групп на основе теоретических и газодинамических численных моделей формирования сверхзвукового планетарного ветра, а также кинетических моделей образования быстрых нейтральных атомов за счет ускорения радиационным давлением звезды и перезарядки на звездных протонах. Взаимодействие динамически расширяющейся экзосферы с потоком звездной плазмы создает вокруг планеты плазмосферу, а при наличии магнитного поля магнитосферу нового типа. В настоящий момент отсутствуют модели, которые самосогласованным образом объединяют все необходимые элементы. Это образование планетарного ветра за счет поглощения ионизующей радиации, фото-плазма-химия основных составляющих атмосферы, газодинамическое расширение с учетом радиационных процессов охлаждения, радиационный перенос резонансных фотонов в плотной экзосфере, МГД взаимодействие плазменных потоков, ионные и атомные процессы столкновения планетарных и звездных частиц, формирование сложных структур истекающего планетарного вещества на масштабе звездной системы в поле гравитации планеты, звезды и центробежных сил. Только на основе такого интегрирующего подхода можно достоверно интерпретировать имеющиеся наблюдения и разработать методы оценки различных параметров планетарного и звездного ветров. Создание полностью самосогласованной модели формирования экзосферы планеты и ее взаимодействия с планетарным магнитным полем и звездным ветром было заложено в предыдущих работах авторов в тесной кооперации с Институтом Космических Исследований Австрии, SRI Graz. Для решения стоящих проблем мы предлагаем провести систематические исследования на основе численных расчетов экзопланетных атмосфер и планетарного ветра в условиях набегающего потока звёздного ветра и магнитного поля планеты. В частности будут найдены условия, при которых можно объяснить наблюдаемое поглощение в линии HI Lya для Горячих Юпитеров HD209458b и HD189733b на уровне 10% и Теплого Нептуна GJ 436b на уровне 50% и выявлено, какие параметры планетарного или звездного ветра можно оценивать из этих измерений. Будет создана модель диффузии резонансных фотонов в планетарной экзосфере с целью поиска возможностей транзитных измерений в линии H-alfa, не подверженной подавлению межзвездной средой и сильному геокорональному зашумлению. Усовершенствование численной модели для включения любых химических элементов позволит рассмотреть газовые оболочки маломассивных планет, состоящие преимущественно из гелия, а также выяснить в целом влияние содержания гелия на интенсивность планетарного ветра. Расчет динамики более тяжелых примесных элементов, увлекаемых планетарным ветром, позволит дать объяснение спектральным измерениям в диапазоне Допплеровских скоростей смещения 30-60 км/с в линиях магния, кислорода, углерода и кремния. В рамках проекта планируется модернизация кода и расчеты в трехмерной постановке, что позволит описать такие структуры, формируемые планетарным течением в масштабе звездной системы, как хвост, аккреционная струя или тор, которые могут проявляться в транзитных наблюдениях с разрешением фаз положения экзопланеты на диске звезды. Трехмерные расчеты особенно необходимы для экстремально близких экзопланет со значительной Кеплеровской скоростью, таких как Wasp-12b, что приводит к ортогональности приливной силы и давления потока звездной плазмы. Детальное изучение планетарной экзосферы, ее зависимость от химического состава и взаимодействия со звездным ветром позволит сделать выводы об эволюции горячих экзопланет и, в частности, газовых оболочек маломассивных планет в зоне обитаемости. Важной и отличительной особенностью предлагаемых исследований является дополнение численного моделирования лабораторными модельными экспериментами. Такие эксперименты позволят обосновать применяемые в численных расчетах физические приближения, а также изучить процессы, пока еще недоступные численным моделям. Будет проведен эксперимент по бесстолкновительному взаимодействию плазменных потоков в относительно слабом магнитном поле с целью определить масштаб их взаимопроникновения в единицах Ларморовского радиуса. Будет применен оригинальный метод создания потока лазерной плазмы с вмороженным магнитным полем, разработанный авторами. Данный опыт также позволит продвинуться в проблеме получения в лаборатории бесстолкновительной ударной волны. Для создания задела будущих исследований магнитосфер Горячих Юпитеров предлагается реализовать оригинальный эксперимент по моделированию системы продольных токов в условиях плотной внутри-магнитосферной плазмы. Продольные токи передают энергию из пограничного слоя и магнитодиска в полярную ионосферу, вызывая разнообразные эффекты. Наличие планетарной плазмы, или планетарного ветра, образованного ионизацией верхней атмосферы и удерживаемого магнитным полем планеты, с плотностью на несколько порядков величин больше плотности звездного ветра, может привести к новым явлениям, которые в настоящий момент можно обнаружить только в лабораторном эксперименте. Актуальность проекта обусловлена бурно развивающейся тематикой экзопланет и, в частности, транзитными спектральными наблюдениями, количество и качество которых будет неуклонно нарастать благодаря запланированным к запуску в ближайшем будущем космическим и наземным телескопам. Интерпретация и использование получаемой уникальной информации требует разработки новых сценариев взаимодействия на основе развития новых подходов и комплексных моделей. В проекте предлагается ряд полностью оригинальных задач, которые ранее не рассматривались в данной области. Это влияние гелия в широком диапазоне его содержания на интенсивность планетарного ветра, диффузия и перенос резонансных фотонов в плотной экзосфере, продольные токи Горячих Юпитеров в присутствии плотной внутри-магнитосферной плазмы. Реализация проекта будет основана на имеющимся заделе как в численном, так и экспериментальном моделировании по тематике проблемы. Молодежный коллектив проекта составят один кандидат наук, два аспиранта и два магистра, все возрастом менее 30 лет. Трое из пяти уже значительное время работают по теме заявки и в организации исполнения проекта. Для экспертного анализа информации по разнообразным экзопланетам и публикации статей в самых престижных журналах в данной области науки в организацию исполнения будет устроен по совместительству сотрудник Института космических исследований Австрии, Ходаченко М.Л. Для усиления задач численного моделирования в проекте также будут участвовать сотрудники Института Вычислительной Математики СО РАН. Список основных исполнителей проекта, включая руководителя, составят 3 доктора и 3 кандидата физ.-мат. наук.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шайхисламов И.Ф., Ходаченко М.Л., Ламмер Х., Фоссати Л., Двиведи Н., Гудель М., Кислякова К.Г., Джонстон С.П., Березутский А.Г., Мирошниченко И.Б., Посух В.Г., Еркаев Н.В., Иванов В.А. Modeling of Absorption by Heavy Minor Species for the Hot Jupiter HD 209458b The Astrophysical Journal, том 866, №1, С. 47, 13 страниц (год публикации - 2018)
10.3847/1538-4357/aadf39

2. Шайхисламов И.Ф., Ходаченко М.Л., Ламмер Х., Березутский А.Г., Мирошниченко И.Б., Руменских М.С. 3D Aeronomy modelling of close-in exoplanets Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 481, Issue 4, Pages 5315–5323 (год публикации - 2018)
10.1093/mnras/sty2652

3. Вебер С., Еркаев Н.В., Иванов В.А., Одерт Р., Грисмейер Ж.М., Фоссати Л., Ламмер Х., Рукер Х.О. Supermassive hot Jupiters provide more favourable conditions for the generation of radio emission via the cyclotron maser instability – a case study based on Tau Bootis b Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 480, Issue 3, Pages 3680–3688 (год публикации - 2018)
10.1093/mnras/sty2079

4. Ходаченко М.Л., Шайхисламов И.Ф., Ламмер Х., Березуцкий А.Г., Мирошниченко И.Б., Руменских М.С., Кислякова К.Г., Двиведи Н.К. Global 3D Hydrodynamic Modeling of In-transit Lyα Absorption of GJ 436b The Astrophysical Journal, 885:67 (20pp) (год публикации - 2019)
10.3847/1538-4357/ab46a4

5. Шайхисламов И.Ф., Ходаченко М.Л., Ламмер Х., Березуцкий А.Г., Мирошниченко И.Б., Руменских М.С. 3D Modeling of absorption by various species for hot jupiter HD209458b Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (год публикации - 2019)
10.1093/mnras/stz3211

6. Алексей Чибранов, Михаил Ефимов, Илья Романченко, Артем Березуцкий, Марина Руменских, Ильдар Шайхисламов, Виталий Посух, Юрий Захаров Investigation and analysis of the characteristics of the laser plasma expansion by the spectroscopic methods, magnetic and optical diagnostics AIP Conference Proceedings (год публикации - 2019)
10.1063/1.5098149

7. Д. Кубышкина, П.Е. Кубильос, Л.Фоссати, Н.В. Eркаев, С.П. Джонстон, К.Г. Кислякова, Х. Ламмер, М. Лендл, П. Одер, М. Гюдель Close-in Sub-Neptunes Reveal the Past Rotation History of Their Host Stars: Atmospheric Evolution of Planets in the HD 3167 and K2-32 Planetary Systems The Astrophysical Journal, 879:26 (21pp) (год публикации - 2019)
10.3847/1538-4357/ab1e42

8. Двиведи Н.К., Ходаченко М.Л., Шайхисламов И.Ф., Фоссати Л., Ламмер Х., Сасунов Ю., Березуцкий А.Г., Мирошниченко И.Б., Кислякова К.Г., Джонстон С.П., Гудель М. Modelling atmospheric escape and Mg II near-ultraviolet absorption of the highly irradiated hot Jupiter WASP-12b Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 487, Issue 3, Pages 4208–4220 (год публикации - 2019)
10.1093/mnras/stz1345

9. К. Г. Кислякова, М. Холмстрем, П. Одерт, Х. Ламмер, Н. В. Эркаев, М. Л. Ходаченко, И. Ф. Шайхисламов, Е. Дорфи, М. Гудель Transit Lyman-α signatures of terrestrial planets in the habitable zones of M dwarfs Astronomy and Astrophysics, Volume 623, A131 (год публикации - 2019)
10.1051/0004-6361/201833941

10. А. Г. Березуцкий, И. Ф. Шайхисламов, И. Б. Мирошниченко, М. С. Руменских, М. Л. Ходаченко ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ АТМОСФЕРЫ СО ЗВЕЗДНЫМ ВЕТРОМ ВОКРУГ ЭКЗОПЛАНЕТЫ GLIESE 436 B АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК. ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, Том: 53, Номер: 2, Страницы: 147-154 (год публикации - 2019)
10.1134/S0320930X19020014

11. С. П. Джонстон, М. Л. Ходаченко, Т. Люфтингер, К. Г. Кислякова, Х. Ламмер, М. Гюдель Extreme hydrodynamic losses of Earth-like atmospheres in the habitable zones of very active stars Astronomy and Astrophysics, Volume 624, Article Number L10, Number of page(s) 5 (год публикации - 2019)
10.1051/0004-6361/201935279

12. Г. Дидидзе, Б. М. Шергелашвили, В. Н. Мельник, В. В. Доровский, А. И. Браженко, С. Поедц, Т. В. Закарашвили, М. Ходаченко Comparative analysis of solar radio bursts before and during CME propagation Astronomy and Astrophysics, Volume 625 , A63 (год публикации - 2019)
10.1051/0004-6361/201629489

13. О. В. Архипов, М. Л. Ходаченко, А. Ханслмейер Dusty phenomena in the vicinity of giant exoplanets Astronomy and Astrophysics, Volume 631, A152 (год публикации - 2019)
10.1051/0004-6361/201936521

14. Смолина Е.В. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА С ОПТОВОЛОКОННОЙ РАЗВЯЗКОЙ ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, № 6, с. 46–48 (год публикации - 2019)
10.1134/S0032816219050264

15. И. Ф. Шайхисламов, М. Л. Ходаченко, Х. Ламмер, А. Г. Березуцкий, И. Б. Мирошниченко, М. С. Руменских Global 3D hydrodynamic modeling of absorption in Lyα and He 10830 A lines at transits of GJ3470b Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, staa2367 (год публикации - 2020)
10.1093/mnras/staa2367

16. И. Ф. Шайхисламов, Л. Фоссати, М. Л. Ходаченко, Х. Ламмер, А. Гарсия Муньос, А. Янгблад, Н. К. Двиведи, М. С. Руменских Three-dimensional hydrodynamic simulations of the upper atmosphere of π Men c: Comparison with Lyα transit observations Astronomy & Astrophysics, 639, A109 (год публикации - 2020)
10.1051/0004-6361/202038363

17. Бенедикт М. Р., Шерф М., Ламмер Х., Марк Э., Одерт П., Лейтцингер М., Еркаев Н. В. Escape of rock-forming volatile elements and noble gases from planetary embryos Icarus, 347, 113772 (год публикации - 2020)
10.1016/j.icarus.2020.113772

18. П. Одерт, Н. В. Еркаев, К. Г. Кислякова, Х. Ламмер, А. В. Мезенцев, В. А. Иванов, Л. Фоссати, М. Лейтцингер, Д. Кубышкина, М. Хольмстрём Modeling the Lyα α transit absorption of the hot Jupiter HD 189733b Astronomy & Astrophysics, 638, A49 (год публикации - 2020)
10.1051/0004-6361/201834814

19. Дж. Э. Оуэн, И. Ф. Шайхисламов, Х. Ламмер, Л. Фоссати, М. Л. Ходаченко Hydrogen dominated atmospheres on terrestrial mass planets: evidence, origin and evolution Space Science Reviews, 216(8), 1-24. (год публикации - 2020)
10.1007/s11214-020-00756-w

20. Мирошниченко И.Б., Шайхисламов И.Ф., Березуцкий А.Г., Руменских М.С., Ветрова Е.С. ВЛИЯНИЕ РЕЗОНАНСНОГО РАССЕЯНИЯ Lyα ИЗЛУЧЕНИЯ РОДИТЕЛЬСКОЙ ЗВЕЗДЫ НА СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ Hα АТМОСФЕР ГОРЯЧИХ ЮПИТЕРОВ HD189733b и HD 209458b Астрономический журнал (год публикации - 2021)

21. И. Ф. Шайхисламов, М. Л. Ходаченко, А. Г. Березуцкий АТМОСФЕРНЫЙ ВЕТЕР ГОРЯЧИХ ЭКЗОПЛАНЕТ И ЕГО НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ: ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОЦЕНОК ДО ТРЕХМЕРНЫХ МГД МОДЕЛЕЙ Астрономический журнал, том 98, № 1, с. 1–19 (год публикации - 2021)

22. К. Г. Кислякова, К. П. Джонстон, М. Шерф, М. Хольмстрём, И. И. Алексеев, Х. Ламмер, М. Л. Ходаченко, М. Гюдель Evolution of the Earth's Polar Outflow From Mid‐Archean to Present Journal of Geophysical Research: Space Physics, A027837 (год публикации - 2020)
10.1029/2020JA027837

23. Б. М. Шергелашвили, В. Н. Мельник, Г. Дидидзе, Х. Фихтнер, Г. Бренн, С. Поедтс, Х. Фойси, М. Л. Ходаченко, Теймураз В. Закарашвили A new class of discontinuous solar wind solutions Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 496, Issue 2 (год публикации - 2020)
10.1093/mnras/staa1396

24. Ефимов М.А., Руменских М.С., Чибранов А.А., Березуцкий А.Г., Шайхисламов И.Ф. Investigating the Interaction of Plasma Flows via Spectral Diagnostics of Ion Glow Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 84, No. 7, pp. 807–810 (год публикации - 2020)
10.3103/S1062873820070096

25. Березуцкий А.Г., Ефимов М.А., П. Захаров, И. Б. Мирошниченко, А. Г. Пономаренко, В. Г. Посух, В. Н. Тищенко, А. А. Чибранов, И. Ф. Шайхисламов Low-Frequency Whistlers Produced by Laser Plasma Clouds in a Magnetized Plasma Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 84, No. 7, pp. 803–806 (год публикации - 2020)
10.3103/S1062873820070060

26. О. В. Архипов, М. Л. Ходаченко, А. Ханслмайер Variability of transit light curves of Kepler objects of interest Astronomy & Astrophysics, 638, A143 (год публикации - 2020)
10.1051/0004-6361/201937303

27. В.Н. Тищенко, А.Г. Березуцкий, Л.Р. Дмитриева, И. Мирошниченко, И.Ф. Шайхисламов Influence of the expansion velocity of laser plasma bunches on the intensity of a plasma jet and quasistationary waves generated in a magnetic tube AIP Conference Proceedings, 2288, 030047 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0028392

28. Н. В. Eркаев, М. Шерф, С. Э. Таллер, Х. Ламмер, А. В. Мезенцев, В. А. Иванов, К. Э. Мандт Escape and evolution of Titan’s N2 atmosphere constrained by 14N/15N isotope ratios Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, staa3151 (год публикации - 2020)
10.1093/mnras/staa3151

Публикации