АСТРОФИЗИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ, 2025, том 80, № 1, страницы 86–96
КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ СУБ-НЕПТУНА π Men c
© 2025
А. А. Автаева1*, В. И. Шематович1**
1Институт астрономии РАН, Москва, 119017 Россия
*E-mail: nastyaavt@inasan.ru
**E-mail: shematov@inasan.ru
*E-mail: nastyaavt@inasan.ru
**E-mail: shematov@inasan.ru
УДК [524.3:523.4-852]:52-17
Поступила в редакцию 27 июня 2024 года; после доработки 4 октября 2024 года; принята к публикации 15 октября 2024 года
Наблюдения экзопланет в ультрафиолетовом диапазоне дают информацию о строении атмосферы экзопланеты, а также о темпе потери вещества из атмосферы. Наблюдения, проводимые в спектральной линии H Lyα на космическом телескопе им. Хаббла (HST) для экзопланеты π Men c, не выявили поглощения в синем и красном крыле линии. Однако из-за особенностей орбиты HST эти наблюдения не позволяют однозначно говорить о присутствии или отсутствии водорода в атмосфере экзопланеты, они дают лишь оценку на верхнюю границу значения массовой скорости для водорода в атмосфере. Экзопланета π Men c попадает на внешнюю границу деления Фултона со стороны суб-нептунов, что предполагает наличие водорода в атмосфере экзопланеты. Исходя из предположения, что π Men c имеет первичную водородно-гелиевую оболочку, мы провели кинетическое моделирование нетепловых процессов в верхней атмосфере экзопланеты π Men c. Рассматривались процессы рождения надтепловых частиц в экзотермической фотохимии под действием жесткого ультрафиолетового излучения (УФ) родительской звезды, а также воздействие проникающего в атмосферу потока протонов звездного ветра. Нетепловая потеря атмосферы, вызванная воздействием жесткого излучения родительской звезды, оказалась сравнима с оценками потока убегания вещества за счет тепловых процессов. Энергия, проникающая в атмосферу с протонами звездного ветра, полностью уходит на нагрев атмосферы.
Ключевые слова:
экзопланеты, атмосферы экзопланет, кинетическое моделирование, нетепловые процессы, потеря атмосферы
ФинансированиеСписок литературы
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-12-00384).
Список литературы
1. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Solar System Research 55 (2), 150 (2021). DOI:10.1134/S0038094621020015
2. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Solar System Research 56 (2), 67 (2022a). DOI:10.1134/S0038094622020010
3. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Astronomy Reports 66 (12), 1254 (2022b). DOI:10.1134/S1063772922110051
4. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Astronomy Reports 67 (10), 979 (2023). DOI:10.1134/S1063772923100025
5. D. Bisikalo, P. Kaygorodov, D. Ionov, et al., Astrophys. J. 764 (1), article id. 19 (2013). DOI:10.1088/0004-637X/764/1/19
6. D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, P. V. Kaygorodov, and A. G. Zhilkin, Physics Uspekhi 64 (8), 747 (2021). DOI:10.3367/UFNe.2020.11.038879
7. S. Carolan, A. A. Vidotto, P. Plavchan, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 498 (1), L53 (2020). DOI:10.1093/mnrasl/slaa127
8. N. V. Erkaev, Y. N. Kulikov, H. Lammer, et al., Astron. and Astrophys. 472 (1), 329 (2007). DOI:10.1051/0004-6361:20066929
9. N. V. Erkaev, H. Lammer, P. Odert, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 460 (2), 1300 (2016). DOI:10.1093/mnras/stw935
10. N. V. Erkaev, P. Odert, H. Lammer, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 470 (4), 4330 (2017). DOI:10.1093/mnras/stx1471
11. L. Fossati, N. V. Erkaev, H. Lammer, et al., Astron. and Astrophys. 598, id. A90 (2017). DOI:10.1051/0004-6361/201629716
12. L. Fossati, K. France, T. Koskinen, et al., Astrophys. J. 815 (2), article id. 118 (2015). DOI:10.1088/0004-637X/815/2/118
13. L. Fossati, T. Koskinen, K. France, et al., Astron. J. 155 (3), article id. 113 (2018). DOI:10.3847/1538-3881/aaa891
14. B. J. Fulton, E. A. Petigura, A. W. Howard, et al., Astron. J. 154 (3), article id. 109 (2017). DOI:10.3847/1538-3881/aa80eb
15. D. Gandolfi, O. Barragán, J. H. Livingston, et al., Astron. and Astrophys. 619, id. L10 (2018). DOI:10.1051/0004-6361/201834289
16. A. García Muñoz, L. Fossati, A. Youngblood, et al., Astrophys. J. 907 (2), id. L36 (2021). DOI:10.3847/2041-8213/abd9b8
17. A. García Muñoz, A. Youngblood, L. Fossati, et al., Astrophys. J. 888 (2), article id. L21 (2020). DOI:10.3847/2041-8213/ab61ff
18. G. Gronoff, P. Arras, S. Baraka, et al., Journal of Geophysical Research (Space Physics) 125 (8), article id. e27639 (2020). DOI:10.1029/2019JA02763910.1002/essoar.10502458.1
19. J. S. Halekas, R. J. Lillis, D. L. Mitchell, et al., Geophysical Research Letters 42 (21), 8901 (2015). DOI:10.1002/2015GL064693
20. A. P. Jackson, T. A. Davis, and P. J. Wheatley, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 422 (3), 2024 (2012). DOI:10.1111/j.1365-2966.2012.20657.x
21. S. Jin, C. Mordasini, V. Parmentier, et al., Astrophys. J. 795 (1), article id. 65 (2014). DOI:10.1088/0004-637X/795/1/65
22. C. P. Johnstone, M. Güdel, A. Stökl, et al., Astrophys. J. 815 (1), article id. L12 (2015). DOI:10.1088/2041-8205/815/1/L12
23. G. W. King, P. J. Wheatley, M. Salz, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 478 (1), 1193 (2018). DOI:10.1093/mnras/sty1110
24. D. Kubyshkina, L. Fossati, N. V. Erkaev, et al., Astron. and Astrophys. 619, id. A151 (2018a). DOI:10.1051/0004-6361/201833737
25. D. Kubyshkina, L. Fossati, N. V. Erkaev, et al., Astrophys. J. 866 (2), article id. L18 (2018b). DOI:10.3847/2041-8213/aae586
26. H. Lammer, N. V. Erkaev, L. Fossati, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 461 (1), L62 (2016). DOI:10.1093/mnrasl/slw095
27. H. Lammer, P. Odert,M. Leitzinger, et al., Astron. and Astrophys. 506 (1), 399 (2009). DOI:10.1051/0004-6361/200911922
28. H. Lammer, F. Selsis, I. Ribas, et al., Astrophys. J. 598 (2), L121 (2003). DOI:10.1086/380815
29. E. D. Lopez, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 472 (1), 245 (2017). DOI:10.1093/mnras/stx1558
30. E. D. Lopez and J. J. Fortney, Astrophys. J. 776 (1), article id. 2 (2013). DOI:10.1088/0004-637X/776/1/2
31. M. Salz, S. Czesla, P. C. Schneider, and J. H. M. M. Schmitt, Astron. and Astrophys. 586, id. A75 (2016). DOI:10.1051/0004-6361/201526109
32. I. F. Shaikhislamov, L. Fossati, M. L. Khodachenko, et al., Astron. and Astrophys. 639, id. A109 (2020). DOI:10.1051/0004-6361/202038363
33. V. Shematovich, D. Bisikalo, and G. Tsurikov, Atmosphere 14 (7), id. 1092 (2023). DOI:10.3390/atmos14071092
34. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, C. Diéval, et al., Journal of Geophysical Research (Space Physics) 116 (A11), id. A11320 (2011). DOI:10.1029/2011JA017007
35. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and A. G. Zhilkin, Astronomy Reports 65 (3), 203 (2021). DOI:10.1134/S1063772921030033
36. V. I. Shematovich and M. Y. Marov, Physics Uspekhi 61 (3), 217 (2018). DOI:10.3367/UFNe.2017.09.038212
37. L. Sproß, M. Scherf, V. I. Shematovich, et al., Astronomy Reports 65 (4), 275 (2021). DOI:10.1134/S1063772921040077
38. A. Stökl, E. A. Dorfi, C. P. Johnstone, and H. Lammer, Astrophys. J. 825 (2), article id. 86 (2016). DOI:10.3847/0004-637X/825/2/86
39. A. A. Vidotto and A. Cleary, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 494 (2), 2417 (2020). DOI:10.1093/mnras/staa852
40. A. J. Watson, T. M. Donahue, and J. C. G. Walker, Icarus 48 (2), 150 (1981). DOI:10.1016/0019-1035(81)90101-9
41. A. G. Zhilkin, Astronomy Reports 67 (4), 307 (2023). DOI:10.1134/S1063772923040066
2. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Solar System Research 56 (2), 67 (2022a). DOI:10.1134/S0038094622020010
3. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Astronomy Reports 66 (12), 1254 (2022b). DOI:10.1134/S1063772922110051
4. A. A. Avtaeva and V. I. Shematovich, Astronomy Reports 67 (10), 979 (2023). DOI:10.1134/S1063772923100025
5. D. Bisikalo, P. Kaygorodov, D. Ionov, et al., Astrophys. J. 764 (1), article id. 19 (2013). DOI:10.1088/0004-637X/764/1/19
6. D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, P. V. Kaygorodov, and A. G. Zhilkin, Physics Uspekhi 64 (8), 747 (2021). DOI:10.3367/UFNe.2020.11.038879
7. S. Carolan, A. A. Vidotto, P. Plavchan, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 498 (1), L53 (2020). DOI:10.1093/mnrasl/slaa127
8. N. V. Erkaev, Y. N. Kulikov, H. Lammer, et al., Astron. and Astrophys. 472 (1), 329 (2007). DOI:10.1051/0004-6361:20066929
9. N. V. Erkaev, H. Lammer, P. Odert, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 460 (2), 1300 (2016). DOI:10.1093/mnras/stw935
10. N. V. Erkaev, P. Odert, H. Lammer, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 470 (4), 4330 (2017). DOI:10.1093/mnras/stx1471
11. L. Fossati, N. V. Erkaev, H. Lammer, et al., Astron. and Astrophys. 598, id. A90 (2017). DOI:10.1051/0004-6361/201629716
12. L. Fossati, K. France, T. Koskinen, et al., Astrophys. J. 815 (2), article id. 118 (2015). DOI:10.1088/0004-637X/815/2/118
13. L. Fossati, T. Koskinen, K. France, et al., Astron. J. 155 (3), article id. 113 (2018). DOI:10.3847/1538-3881/aaa891
14. B. J. Fulton, E. A. Petigura, A. W. Howard, et al., Astron. J. 154 (3), article id. 109 (2017). DOI:10.3847/1538-3881/aa80eb
15. D. Gandolfi, O. Barragán, J. H. Livingston, et al., Astron. and Astrophys. 619, id. L10 (2018). DOI:10.1051/0004-6361/201834289
16. A. García Muñoz, L. Fossati, A. Youngblood, et al., Astrophys. J. 907 (2), id. L36 (2021). DOI:10.3847/2041-8213/abd9b8
17. A. García Muñoz, A. Youngblood, L. Fossati, et al., Astrophys. J. 888 (2), article id. L21 (2020). DOI:10.3847/2041-8213/ab61ff
18. G. Gronoff, P. Arras, S. Baraka, et al., Journal of Geophysical Research (Space Physics) 125 (8), article id. e27639 (2020). DOI:10.1029/2019JA02763910.1002/essoar.10502458.1
19. J. S. Halekas, R. J. Lillis, D. L. Mitchell, et al., Geophysical Research Letters 42 (21), 8901 (2015). DOI:10.1002/2015GL064693
20. A. P. Jackson, T. A. Davis, and P. J. Wheatley, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 422 (3), 2024 (2012). DOI:10.1111/j.1365-2966.2012.20657.x
21. S. Jin, C. Mordasini, V. Parmentier, et al., Astrophys. J. 795 (1), article id. 65 (2014). DOI:10.1088/0004-637X/795/1/65
22. C. P. Johnstone, M. Güdel, A. Stökl, et al., Astrophys. J. 815 (1), article id. L12 (2015). DOI:10.1088/2041-8205/815/1/L12
23. G. W. King, P. J. Wheatley, M. Salz, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 478 (1), 1193 (2018). DOI:10.1093/mnras/sty1110
24. D. Kubyshkina, L. Fossati, N. V. Erkaev, et al., Astron. and Astrophys. 619, id. A151 (2018a). DOI:10.1051/0004-6361/201833737
25. D. Kubyshkina, L. Fossati, N. V. Erkaev, et al., Astrophys. J. 866 (2), article id. L18 (2018b). DOI:10.3847/2041-8213/aae586
26. H. Lammer, N. V. Erkaev, L. Fossati, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 461 (1), L62 (2016). DOI:10.1093/mnrasl/slw095
27. H. Lammer, P. Odert,M. Leitzinger, et al., Astron. and Astrophys. 506 (1), 399 (2009). DOI:10.1051/0004-6361/200911922
28. H. Lammer, F. Selsis, I. Ribas, et al., Astrophys. J. 598 (2), L121 (2003). DOI:10.1086/380815
29. E. D. Lopez, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 472 (1), 245 (2017). DOI:10.1093/mnras/stx1558
30. E. D. Lopez and J. J. Fortney, Astrophys. J. 776 (1), article id. 2 (2013). DOI:10.1088/0004-637X/776/1/2
31. M. Salz, S. Czesla, P. C. Schneider, and J. H. M. M. Schmitt, Astron. and Astrophys. 586, id. A75 (2016). DOI:10.1051/0004-6361/201526109
32. I. F. Shaikhislamov, L. Fossati, M. L. Khodachenko, et al., Astron. and Astrophys. 639, id. A109 (2020). DOI:10.1051/0004-6361/202038363
33. V. Shematovich, D. Bisikalo, and G. Tsurikov, Atmosphere 14 (7), id. 1092 (2023). DOI:10.3390/atmos14071092
34. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, C. Diéval, et al., Journal of Geophysical Research (Space Physics) 116 (A11), id. A11320 (2011). DOI:10.1029/2011JA017007
35. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and A. G. Zhilkin, Astronomy Reports 65 (3), 203 (2021). DOI:10.1134/S1063772921030033
36. V. I. Shematovich and M. Y. Marov, Physics Uspekhi 61 (3), 217 (2018). DOI:10.3367/UFNe.2017.09.038212
37. L. Sproß, M. Scherf, V. I. Shematovich, et al., Astronomy Reports 65 (4), 275 (2021). DOI:10.1134/S1063772921040077
38. A. Stökl, E. A. Dorfi, C. P. Johnstone, and H. Lammer, Astrophys. J. 825 (2), article id. 86 (2016). DOI:10.3847/0004-637X/825/2/86
39. A. A. Vidotto and A. Cleary, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 494 (2), 2417 (2020). DOI:10.1093/mnras/staa852
40. A. J. Watson, T. M. Donahue, and J. C. G. Walker, Icarus 48 (2), 150 (1981). DOI:10.1016/0019-1035(81)90101-9
41. A. G. Zhilkin, Astronomy Reports 67 (4), 307 (2023). DOI:10.1134/S1063772923040066
Kinetic Modeling of Non-thermal Processes in the Upper Atmosphere of the Sub-neptune π Men c
© 2025
A. A. Avtaeva1* and V. I. Shematovich1**
1Institute of Astronomy, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119017 Russia
*E-mail: nastyaavt@inasan.ru
**E-mail: shematov@inasan.ru
*E-mail: nastyaavt@inasan.ru
**E-mail: shematov@inasan.ru
Observations of exoplanets in the ultraviolet (UV) wavelength range provide data about the structure of the exoplanetary atmosphere, as well as the atmospheric escape rate. Observations by the Hubble Space Telescope (HST) carried out in the spectral H Lyα line for the exoplanet π Men c did not reveal any absorption in the blue and red wings of the line. However, due to the peculiarities of the HST orbit, these observations do not allow us to speak unambiguously about the presence or absence of hydrogen in the exoplanetary atmosphere; they only provide an estimate of the upper limit of the mass velocity for hydrogen in the atmosphere. The exoplanet π Men c falls on the outer boundary of the Fulton division from the sub-Neptune side, which implies the presence of hydrogen in the exoplanetary atmosphere. Based on the assumption that π Men c has a primary hydrogen-helium envelope, we performed kinetic modeling of non-thermal processes in the upper atmosphere of the exoplanet π Men c. We considered the processes of suprathermal particle production in exothermic photochemistry under the action of hard ultraviolet (UV) radiation from the host star, as well as the effect of the stellar wind proton flux penetrating the atmosphere. The non-thermal atmospheric escape caused by the exposure to the hard radiation of the host star turned out to be comparable with the estimates of the escaping atmospheric flux due to the thermal processes. The energy of the stellar wind protons penetrating into the atmosphere is completely spent on heating the atmosphere.
Keywords:
methods: numerical—exoplanet atmospheres—exoplanet atmosphere evolution
К содержанию номера