Физика экзопланетных атмосфер и интерпретация наблюдательных проявлений

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 23-12-00134

НазваниеФизика экзопланетных атмосфер и интерпретация наблюдательных проявлений

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 №80 - Конкурс 2023 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 экзопланеты, атмосфера, плазмосфера, космическая плазма, космическая погода, транзитные наблюдения, численное моделирование, лабораторный эксперимент

Код ГРНТИ29.27.45

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение экзопланет является одним из наиболее бурно развивающихся направлений астрофизики и астрономии, стимулирующим прогресс в смежных областях физики, химии и астробиологии. Помимо обширной сети наземных инструментов, действующих космических телескопов (Hubble, TESS, CHEOPS, JWST) и наблюдательных кампаний (ALMA, WASP, HARPS и т. д.), были успешно завершены несколько специализированных космических миссий (CoRoT, Kepler, K2), в ходе которых были обнаружены тысячи экзопланет. Ряд космических телескопов планируются к запуску в ближайшее время (PLATO, ARIEL, Спектр-УФ). Получаемые данные наблюдений за экзопланетами позволяют создавать уникальное представление о природе их миров, но они нуждаются в последовательной физической интерпретации, чтобы преобразовать эмпирические факты в научное знание и понимание. Актуальная тенденция в настоящее время смещается от простого обнаружения и оценки масс, размеров и параметров орбит экзопланет к количественному анализу их атмосфер по физическим и химическим свойствам, эволюции экзопланет и поиску биомаркеров. Происходит лавинообразный рост данных наблюдений транзитных экзопланет, который сопровождается расширением спектральных диапазонов и значительным улучшением качества измерений. В настоящее время физическая интерпретация данных и предсказание новых эффектов на основе адекватных численных моделей сильно отстают от астрономических наблюдений. Важнейшей задачей стал выход за рамки простых моделей, предназначенных для изучения отдельных наблюдательных аспектов, и переход к объединению всего накопленного методического арсенала в рамках единого подхода. Только комплексная интерпретация всех имеющихся измерений позволит проверять адекватность упрощенных моделей и корректировать их в нужном направлении, а также качественно улучшит прогностические возможности и достоверность. В связи с этим создание и применение специализированных, а не полученных извне средств численного моделирования для интерпретации и понимания наблюдаемых явлений и эффектов является актуальным и необходимым. В отличие от традиционного пути адаптации кодов открытого доступа, созданных для других задач, мы стремимся к модернизации собственной многокомпонентной аэрономной модели, прошедшей, в том числе в рамках предыдущего проекта РНФ, длительный путь развития. В настоящем проекте модель выйдет на новый уровень. Будет реализована инновационная интеграция в 3D MHD код кинетической модели заселенности уровней различных элементов, аэрономия и плазма-фото-химия на основе углерода, азота, кислорода и др. элементов. Это будет достигнуто в сотрудничестве с Институтом астрономии РАН и на основе опыта исследований Солнечной фотосферы и хромосферы. Планируется достижение результатов, выходящих далеко за рамки возможностей других групп в мире. Модель будет применяться для решения следующих конкретных задачи по исследованию экзопланет. 1) Моделирование динамической плазмосферы конкретных горячих экзопланет и интерпретация имеющихся и поступающих спектральных транзитных наблюдений в линиях различных элементов HI, HeI, OI, CII, MgI, MgII, SiIII, FeI. Оценка атмосферных и звездных параметров. 2) Исследование сложных физических процессов: Разработка кинетики заселенности уровней таких сложных элементов как Mg и Fe для повышения точности аэрономной модели. Влияние планетарного и звездного магнитных полей на атмосферное истечение и плазмосферу экзопланет и поглощение в линиях. Моделирование эффектов космической погоды, связанных с Корональными Выбросами Массы. Моделирование транзитных наблюдений сложных систем, в которых планеты могут влиять на наблюдения друг друга. 3) Эволюционные аспекты экзопланет: Потеря первичной и вторичной атмосферы молодыми планетами типа мини-Нептунов. Эволюция атмосферного состава на протяжении жизни планет. Образование аккреционных торов вокруг звезды из истекающих атмосфер горячих экзопланет. Новые механизмы миграции экзопланет на ранней стадии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М. С. Руменских, М. Л. Ходаченко, И. Ф. Шайхисламов, И. В. Мирошниченко, А. Г. Березуцкий, А. В. Шепелин, Н. К. Двиведи Mysterious non-detection of He I (23S) transit absorption of GJ 436b Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS 526, 4120–4129 (2023) (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad2846

2. Л. Машонкина, Ю. Пахомов,Т. Ситнова, А. Смогоржевский, П. Яблонька, В. Хилл 1D non-LTE corrections for chemical abundance analyses of very metal-poor stars Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS 524, 3526–3536 (2023) (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad2114

3. Машонкина Л.И., Рябчикова Т.А. Non-LTE Nitrogen Abundances in the Sun and Selected A–F-Type Stars Astronomy Letters, Vol. 50, No. 6, pp. 390–406 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063773724700245

4. Березуцкий А.Г., Шайхисламов И.Ф., Руменских М.С., Мирошниченко И.Б., Ходаченко М.Л., Голубовский М.П., Шарипов С.С. 3D aeronomy of two mini-neptunes in the HD 63433 system and their in-transit absorption in Ly α and metastable He I lines Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 533, pp. 374–385 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae1794

5. Шайхисламов И.Ф., Голубовский М.П., Шепелин А.В., Мирошниченко И.Б., Шарипов С.С., Руменских М.С., Березуцкий А.Г., Чибранов А.А., Ходаченко М.Л. Kinetic simulation of ultra-hot Jupiter Kelt 9b Solar System Research (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Ультра-горячие экзопланеты заставляет пересмотреть существующие модели аэрономии верхних атмосфер, которые ранее развивались на примере систем типа Солнечной. Уникальные условия взаимодействия излучения молодых звезд с атмосферой планет обуславливают необходимость кинетического моделирования возбужденных уровней элементов, в первую очередь атома водорода. Для планеты Kelt9b зарегистрировано поглощение в нескольких линий Бальмера, линии кислорода и ряда металлов, количественная интерпретация которых является актуальной задачей. Численный код, разрабатываемый в ИЛФ СО РАН, позволил впервые реализовать трехмерное моделирование атмосферы этой планеты с близким расположением полости Роша с учетом аэрономии и кинетики уровней атомов и ионов ряда элементов – водорода, углерода, кислорода, магния. Полученные результаты показывают, что специфический спектр звезд А-класса создает принципиально новый источник нагрева водородных атмосфер – фотоионизация с возбужденных уровней. Рассчитанное поглощение показало, что измеренное поглощение в линиях водорода есть прямое следствие процесса нагрева, связанного с возбужденными уровнями, а также прямо связано с потерей массы атмосферой, которое составило значительную величину ~10^12 г/с. Результаты работы необходимы для количественной интерпретации и планирования астрономических наблюдений. 2) Построена новая модель атома азота с использованием уровней энергии, известных из лабораторных измерений, и современных расчетов скоростей радиационных и столкновительных переходов. Получено солнечное содержание из модели путем сравнения наблюдаемых линий NI с синтетическим спектром. Синтетический спектр был получен с использованием классической одномерной модели солнечной атмосферы и с учетом отклонений от локального термодинамического равновесия (не-ЛТР эффекты). На основе спектров высокого разрешения мы вывели не-ЛТР содержание азота для 11 не эволюционировавших звезд типов A–F с надежно определенными атмосферными параметрами. Не-ЛТР приводит к усилению линий NI, а не-ЛТР эффекты растут с ростом эффективной температуры. Для нормальных звезд класса A не-ЛТР устраняет усиления относительно солнечного содержания азота, полученные в ЛТР анализе. Звезда типа λ Boo HD 172167 (Вега) также имеет почти солнечное содержание азота. Содержание азота в Солнце и нормальных звездах класса А в пределах погрешности согласуется с содержанием азота в межзвездном газе и ранних звездах класса В. 3) Изучен один из первых этапов трансформации первичной атмосферы во вторичную – избыточная потеря водорода по сравнению с другими элементами. Систематическое моделирование показало, что из-за гидродинамических потерь планеты земного типа с массами между ≈ 0.9 𝑀 и 1.25 𝑀 масс Земли внутри «зоны обитаемости» для звезд, подобных Солнцу, могут эволюционировать к состоянию с атмосферами с преобладанием гелия. Мы предсказываем, что вскоре будут обнаружены такие планеты земного типа с гелиевыми атмосферами и парциальным давлением от нескольких бар до сотен бар.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Горячие экзопланеты, в которых наблюдается поглощение в линиях серии Бальмера и линии гелия, дают уникальную возможность апробирования как верхних слоев (совместно с истекающей структурой) атмосферы через наблюдения в гелиевой линии, так и более нижних, где происходит поглощение в серии Бальмера. На данный момент известно всего 4 примера таких планет, одна из них – HAT-P-32 b. Подобные наблюдения позволяют не только с высокой достоверностью интерпретировать наблюдения, но и явно указывают на слабые стороны существующих моделей аэрономии атмосфер. Самосогласованное трехмерное моделирование атмосферы HAT-P-32 b выполненное в рамках проекта показало необходимость учета кинетики верхних уровней атома водорода, которая критически влияет на поглощение, аналогично рассмотренному нами ранее KELT-9 b, и является важным каналом нагрева атмосферы. Однако наблюдаемое поглощение не может быть описано одной лишь кинетикой атома водорода, важную роль играет содержание металлов, которые благодаря низкому потенциалу ионизации, являются источником свободных электронов. Было установлено, что необходимо низкое [Fe/H]=-1, но конечное содержание металлов в атмосфере для адекватной интерпретации поглощения в обеих линиях. Без учета обоих эффектов потребовались бы потоки излучения, не вписывающиеся в существующие модели звездных атмосфер. Полученные результаты важны для адекватной количественной интерпретации и дальнейшего планирования наблюдений. 2) Собственные магнитные поля влияют на структуру верхних частично-ионизованных атмосфер экзопланет и на наблюдаемые проявления транзитных поглощений. Для близко-орбитальных горячих экзопланет планетарное магнитное поле существенно меняет истечение атмосферы и ее взаимодействие со звездным ветром. Интерпретация транзитных наблюдений в значительной мере ограничена и подвержена переоценке из-за отсутствия каких-либо способов оценки магнитных полей экзопланет. Мы предлагаем принципиально новый метод определения наличия или отсутствия относительно слабых магнитных полей. Метод основан на квантовом эффекте атомного выстраивания в системе из двух энергетических уровней, каждый из которых в общем случае подвержен расщеплению компоненты тонкой структуры при ненулевом полном угловом моменте J. В анизотропном поле излучения звезды переходы между уровнями приводят к отклонению заселенности нижних подуровней от равновесного распределения. Это приводит к изменению вероятностей поглощения отдельных переходов мультиплетов между нижними и верхними подуровнями относительно равновесного значения 2J+1. Магнитное поле, если имеется, перемешивает распределения в сторону равновесной заселенности. Расчеты для условий планетарных систем показали, что метод чувствителен к полям выше ∼0.001 Гс. Выделены наиболее чувствительные мультиплеты атомов и ионов, большинство из которых наблюдались в транзитных поглощениях экзопланет. Предлагаемый подход при детектировании неравновесного поглощения в мультиплете позволяет утверждать об отсутствии планетарного магнитного поля. В обратном случае детектирования равновесного поглощения в мультиплете 2J+1 метод позволяет утверждать о наличие магнитного поля после учета всех иных факторов, разрушающих эффект выстраивания. Для горячего Юпитера Wasp-69-b сделан анализ измеренного поглощения в триплете метастабильного гелия 1083 нм, который показал предположительное присутствие магнитного поля. -СМИ https://www.sbras.info/articles/nauka-dlya-obschestva/sibirskie-fiziki-smodelirovali-atmosferu-samoy-goryachey-iz https://otstv.ru/video/programs/novosti-syuzhety/242686/ - Свидетельство регистрации РИД: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&DocNumber=2025684208&TypeFile=html - Репозиторий с C++ версией: https://github.com/deverte/astrea - Репозиторий с Python версией: https://github.com/deverte/astrea_py

Публикации

Возможность практического использования результатов
В 2030 г. планируется запуск российского космического телескопа Спектр-УФ - дорогостоящая и важная в масштабах мировой науки миссия, нацеленная на решение одной из важнейших социо-культурных задач современности - поиск биомеркеров и жизни на других мирах. Уже запланировано, что результаты данного проекта будут использованы для выбора наиболее перспективных объектов для наблюдения телескопом Спектр-УФ.