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 18-12-00080

НазваниеЭкзосфера горячих экзопланет и ее наблюдательные проявления

РуководительШайхисламов Илдар Фаритович, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

2018 г. - 2020 г.

, продлен на 2021 - 2022. Карточка проекта продления (ссылка)

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 словакосмическая плазма, экзосфера, экзопланета, планетарный ветер, плазмосфера, магнитосфера, численное моделирование, лабораторный эксперимент

Код ГРНТИ29.27.45

СтатусУспешно завершен

---

 

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.

Ожидаемые результаты
1) Впервые будут получены систематические данные о влияние гелия на планетарный ветер Горячих Юпитеров и Теплых Нептунов. Впервые будут рассмотрены газовые оболочки Теплых Нептунов, содержащие гелий как основную компоненту, и водород – как относительно малую. 2) Будут найдены параметры системы планета-звезда в рамках их физически допустимой и реально возможной вариации, при которых удается количественно объяснить транзитные наблюдения ряда близко-орбитальных экзопланет. А именно, объяснить поглощение в синем крыле линии Lya в диапазоне высоких скоростей Допплеровского смещения >70 км/с. Получение этого результата в рамках полностью самосогласованного формирования планетарного ветра и его взаимодействия с излучением и плазменным ветром звезды станет значительным шагом в данной области науки, необходимым для дальнейшего развития моделей и планирования наблюдений. 3) Впервые будут найдены механизмы и процессы, связанные с планетарным ветром, позволяющие количественно описать данные транзитных измерений по поглощению в линиях тяжелых элементов в диапазоне Допплеровских скоростей смещения +/- 40 км/с. Это позволит разработать рекомендации для планирования будущих наблюдений. 4) Впервые будет проверена перспективность транзитных измерений по поглощению нерезонансных фотонов H-альфа, не подверженных подавлению в межзвездной среде. Для этого будет создана модель захвата, переизлучения и диффузии резонансных фотонов Lya в планетарной экзосфере. 5) Впервые будет получена трехмерная структура планетарной экзосферы в рамках звездной системы и во взаимодействии со звездным ветром в рамках 3D численной модели, которая сохранит всю полноту и само-согласованность формирования планетарного ветра. Достижение этой цели является необходимым этапом в данной области науки, к которому в настоящее время стремится ряд исследовательских групп. 6) В рамках численного моделирования будут исследованы системы со значительной потерей массы, что позволит рассмотреть планетарный ветер в более широком контексте эволюции экзопланет. До настоящего времени эта проблема рассматривалась на основе приближенных оценок, и выявление конкретных систем с помощью самосогласованной модели даст необходимую обоснованность этим исследованиям. В частности, будет определено, какую долю первичной газовой оболочки сбрасывают на протяжении жизни маломассивные планеты в зоне обитаемости. 7) Впервые будет установлено влияние межпланетного магнитного поля на интенсивность образования энергичных нейтральных атомов в ходе суб- и сверх-Альфвеновского взаимодействия звездного ветра с планетарной экзосферой. 8) На основе данных лабораторного эксперимента будет впервые определена максимальная глубина проникновения бесстолкновительных потоков в единицах Ларморовского радиуса ионов. Это обоснует приближения, применяемые в численных расчетах. Данный результат также имеет более широкое значение для создания в лаборатории бесстолкновительных ударных волн. 9) Впервые будет изучена магнитосфера Горячих Юпитеров, в которой присутствует новый элемент – плотная внутри-магнитосферная плазма. В настоящее время численное моделирование такой системы остается затруднительным в связи со сложной топологией внутренней магнитосферы, и будет проведен поисковый лабораторный эксперимент. В опытах будет изучено влияние плотной внутренней плазмы на систему продольных токов Юпитерианской магнитосферы. Продольные токи являются важным элементом планетарных магнитосфер, передающие энергию из пограничного слоя и магнитодиска в полярную ионосферу, вызывая там разнообразные явления. Ожидается, что проведение такого эксперимента в совершенно новой и оригинальной постановке обнаружит еще неизвестные механизмы и процессы взаимодействия различных элементов системы, что создаст задел для будущих исследований.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---