Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Исследование экзопланет является одной из наиболее актуальных задач современной астрофизики. За последние годы открыто множество экзопланет различных типов, количество наблюдательных данных непрерывно растет. «Горячие юпитеры» – массивные планеты, с массой порядка массы Юпитера, но находящиеся чрезвычайно близко к родительской звезде представляют особый интерес, поскольку планет подобного класса нет в нашей Солнечной системе. Существование этих планет ставит перед астрофизикой множество проблем. Прежде всего, подобные планеты не могли образоваться на столь низких орбитах, следовательно, их современное положение является следствием плохо изученных процессов миграции, имевших место в прошлом. Другой крупной проблемой, связанной с «горячими юпитерами» является их потенциальная нестабильность, связанная с действием приливных сил звезды. Как показали оценки, сделанные, в том числе, в рамках данного Проекта, атмосферы существенной части наблюдаемых «горячих юпитеров» переполняют полости Роша планет, что должно приводить к катастрофически быстрой потере массы, чего, однако, не происходит. Наконец, механизмы нагрева атмосфер «горячих юпитеров» излучением близко расположенной звезды также оказались далеко не так просты, как можно было бы ожидать, поскольку большую роль в них играет фотоионизация водорода, что существенно повышает температуру атмосферы и увеличивает темп потери массы. Целью данного Проекта является исследование магнитогидродинамических процессов взаимодействия атмосфер «горячих юпитеров» со звездным ветром. Взаимодействие со звездным ветром является весьма важным процессом, оказывающим влияние как на стабильность протяженных оболочек «горячих юпитеров», так и на их наблюдательные проявления. Проведение исследований в рамках Проекта предполагает трехмерное численное МГД-моделирование изучаемых процессов, и интерпретацию наблюдений с применением разработанных моделей. В рамках этапа 2014 года были проведены работы, включающие в себя определение диапазона параметров потенциально интересных объектов, разработку МГД-кода для проведения моделирования, исследование механизмов нагрева атмосфер «горячих юпитеров», а также интерпретацию наблюдений, полученных ранее при помощи космического телескопа им. Хаббла. Для определения параметров потенциально интересных экзопланет и выбора объектов для моделирования была сделана выборка из 189 объектов из онлайн-базы данных экзопланет, размещенной на сайте http://exoplanets.eu. Объекты были отобраны по критериям массы (M>0.3 Mjup) и размера большой полуоси (a<0.1 а.е.). Для всех отобранных экзопланет были вычислены (для большинства объектов – впервые) плотность на фотометрическом радиусе, радиус экзобазы (внешней границы атмосферы) и эффективный радиус полости Роша, что позволило определить среди них объекты, атмосфера которых простирается за пределы полости Роша. Было показано, что, в зависимости от предполагаемой температуры атмосферы (в наиболее вероятном диапазоне от 5000 до 10000 K), доля планет, переполняющих свою полость Роша может составлять от ~10 до ~30 процентов. Это означает, что существенная доля наблюдаемых экзопланет не могла бы существовать достаточно долго без механизмов стабилизации атмосфер, которые, в данном случае, более правильно было бы назвать протяженными оболочками. Для дальнейшего моделирования были отобраны объекты с наибольшей степенью переполнения полости Роша. Также в будущем возможно проведение наблюдений объектов из этого списка, с помощью как наземных, так и космических телескопов. Для проведения численного моделирования была создана самосогласованная трехмерная численная МГД модель взаимодействия звездного ветра с атмосферами планет. В основе модели лежит система уравнений модифицированной магнитной гидродинамики, описывающая усредненные характеристики течения плазмы в условиях волновой МГД турбулентности. Использование такого подхода обусловлено тем, что в магнитосферах планет из-за низкой плотности и относительно высокой интенсивности магнитного поля скорости альфвеновских и магнитозвуковых волн могут во много раз превышать скорость самой плазмы, что, при традиционном подходе к моделированию, не позволяет проводить расчеты с приемлемым временным шагом. Кроме того, в модели учитываются неадиабатические процессы радиационного нагрева и охлаждения, а также диффузия магнитного поля. На основе численной модели создан трехмерный параллельный численный МГД код. В основе кода лежит конечно-разностная схема годуновского типа для уравнений магнитной газодинамики повышенного порядка точности. Для проверки правильности работы численного кода проведены тестовые расчеты взаимодействия звездного ветра с атмосферой планеты в случае очень слабого магнитного поля Для оценки температуры верхних слоев атмосфер исследуемых планет необходимо построение модели, учитывающей не только непосредственный нагрев атмосферы излучением, но и процессы, связанные с фотоионизацией содержащегося в ней водорода. Выполнены расчеты эффективности нагрева верхней атмосферы типичного «горячего юпитера» HD 209458b. Фотолитические и электронные ударные процессы в термосфере были учтены путем решения кинетического уравнения Больцмана для фотоэлектронов с использованием модели Монте-Карло. Впервые было показано, что эффективность нагрева η_hν (отношение общей скорости локального нагрева атмосферного газа к скорости поглощения энергии звездного излучения) верхней атмосферы с преобладанием водорода не превышает значения в 0.2 на основных термосферных высотах, если учитывается воздействие фотоэлектронов. Данный результат позволяет сделать заключение, что в исследованиях тепловой диссипации атмосфер экзопланет, в которых принимается эффективность нагрева η_hν выше 0.2, по-видимому, скорости потери массы атмосферой переоценены, а в исследованиях, где эффективность нагрева ниже 0.2, возможно, были получены более реалистичные оценки скорости потери массы. В рамках Проекта была проведена интерпретация полученных в 2013-2014 годах наблюдательных данных. Наблюдения проводились при помощи телескопа им. Хаббла, а также 2-м наземным телескопом поддержки, расположенном на пике Терскол. В ноябре 2013 года были проведены наблюдения экзопланеты WASP-12b, относящейся к категории «горячих юпитеров». Наблюдения проводились при помощи бесщелевого спектрографа COS, установленного на космическом телескопе им. Хаббла. Данные наблюдения были выполнены в коллаборации с J. D. Nichols (кафедра физики и астрономии Университета Лестера, Великобритания). Были получены кривые блеска в ближнем ультрафиолетовом диапазоне для нескольких транзитов экзопланеты, а также (во время наземных наблюдений) кривые блеска в R-диапазоне. Кривая блеска, полученная в ближнем ультрафиолете имеет сложную форму, включающую в себя несколько участков: 1) предзатменный участок, на котором наблюдается монотонное увеличение блеска; 2) быстрый вход в затмение, момент которого несколько отличается для разных транзитов; 3) плавный выход из затмения, во время которого кривая блеска имеет приблизительно постоянный наклон. При этом наблюдавшаяся в близком ультрафиолете глубина транзита приблизительно в 2.5 раза больше, чем глубина транзита в оптическом диапазоне, что явно указывает на наличие протяженной газовой оболочки вблизи экзопланеты. Также в рамках Проекта была проведена интерпретация результатов наблюдений полярных сияний Юпитера, проводившихся в январе и марте 2014 года с использованием космического телескопа им. Хаббла. Данные наблюдения были выполнены в коллаборации с J.C. Gérard (Льежский Университет, Льеж, Бельгия). Из всех планет солнечной системы Юпитер наиболее близок по параметрам к исследуемым в рамках Проекта экзопланетам, соответственно, большинство МГД-процессов, относящихся к взаимодействию атмосфер планет-гигантов со звездным ветром могут, в той или иной форме наблюдаться у Юпитера, что позволяет с его помощью проводить отработку методик наблюдения и интерпретации наблюдательных данных экзопланет. Были построены распределения интенсивности эмиссии в ультрафиолетовом диапазоне, а также карты цветового соотношения. Впервые были построены карты поглощения ультрафиолетового излучения метаном в атмосфере Юпитера. Было показано, что абсорбция метаном меняется в разных частях юпитерианского полярного сияния, а глубина проникновения электронов в атмосферу существенно различается. Было показано, что высыпания с наибольшей энергией связаны с некоторыми полярными вспышками, наблюдаемыми на высоких широтах. Различия в цветовом соотношении и, как следствие, в энергиях электронов, указывает на то, что часть областей эмиссии может быть вызвана электронами, ускоряемыми неизвестным механизмом.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Основной задачей Проекта является исследование процессов взаимодействия газа звездного ветра с атмосферой экзопланеты. Изучение данных процессов необходимо для определения как эволюционных сценариев экзопланет, так и параметров зон обитаемости звезд. На предыдущем этапе Проекта был разработан трехмерный численный МГД-код, а также был создан список экзопланет – кандидатов для проведения моделирования. В рамках этапа 2015 года были проведены тестовые и демонстрационные трехмерные МГД-расчеты течения, получены трехмерные распределения физических величин (плотности, скорости, температуры и магнитного поля) в окрестностях исследуемых экзопланет. Предварительный анализ полученных решений показал их корректность. Начаты работы по моделированию взаимодействия атмосферы экзопланеты с корональным выбросом массы. Как показывают оценки, сделанные для планет Солнечной системы, важной причиной нагрева атмосфер является их взаимодействие с плазмой звездного ветра, а именно – высыпание электронов и протонов в верхних слоях атмосферы. Например, для планеты Юпитер высыпание электронов обеспечивает до 90% общего нагрева атмосферы. В рамках работ по проекту за 2015 г. построена численная модель высыпания электронов, протонов и атомов водорода из звездного ветра в планетной атмосфере. В модели учитываются как локальная столкновительная термализация, так и перенос электронов, протонов и атомов водорода с высокими кинетическими энергиями в водород-доминантной верхней атмосфере. Модель построена в приближении 1D, которое справедливо в случае дипольного магнитного поля и высоких широт верхней атмосферы планеты-гиганта. В качестве приложения разработанной модели были проведены расчеты высыпания потока электронов в атмосферу типичного «горячего юпитера» и в атмосферу планеты Юпитер Солнечной системы. Сравнение полученных результатов показывает, что для случая «горячего юпитера» помимо уменьшения величины пиков поглощенной атмосферой энергии, поглощение энергии электронов происходит в более протяженной области термосферы и заметно растет с высотой эффективность нагрева атмосферы. Интересно отметить, что для обеих планет эффективность нагрева имеет слабую зависимость от характерной энергии высыпающихся электронов. Одной из задач этапа 2015 года являлась интерпретация полученных авторами Проекта наблюдений транзитной экзопланеты WASP-12b, проведенных при помощи космического телескопа им. Хаббла. Нами было рассмотрено влияние вариаций параметров звездного ветра на размер и форму оболочки и был определен максимальный возможный размер стационарной (квази-замкнутой) оболочки, а также вероятные параметры аккреционного диска, который мог бы образоваться в случае открытой оболочки. Было показано, что имеющийся набор наблюдательных данных не противоречит обеим моделям, но, к сожалению, имеющиеся на настоящий момент данные не позволяют однозначно определить тип оболочки. Показано, что для определения типа оболочки WASP-12b необходимо провести дополнительные наблюдения в УФ области спектра, начиная с фазы 0.78 или более ранней.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках этапа 2016 года участниками Проекта было решено несколько важных астрофизических задач: проведено трехмерное численное моделирование процесса взаимодействия атмосферы горячего юпитера с корональным выбросом массы, проведено численное моделирование течения в оболочке горячего юпитера WASP 12b с учетом влияния гипотетического собственного магнитного поля планеты, разработана самосогласованная аэрономическая модель водородно-гелиевой атмосферы экзопланеты-гиганта, а также предложен метод восстановления радиальных профилей плотности комето-подобных оболочек экзопланет по наблюдениям. Горячие юпитеры – планеты-гиганты, находящиеся на очень низких орбитах родительских звезд, открыты сравнительно недавно. Планеты этого типа вызывают большой интерес, поскольку не имеют аналогов в Cолнечной системе. Благодаря близкому расположению к звезде, горячие юпитеры интенсивно взаимодействуют со звездным ветром, а также могут подвергаться воздействию вспышек и корональных выбросов массы родительских звезд. Механизмы вспышечной активности звезд главной последовательности до сих пор изучены сравнительно слабо даже для Солнца, что делает изучение вспышек других звезд крайне интересной задачей, так как лучшее понимание этих механизмов даст возможность с большей точностью прогнозировать активность Солнца. Тем не менее, на настоящий момент нет достаточно хороших методик по определению характеристик вспышек далеких звезд. Одним из косвенных способов оценки параметров вспышек и изучения их структуры может стать наблюдение результатов их воздействия на атмосферы экзопланет. Для того, чтобы интерпретация таких наблюдений стала возможной, необходима разработка физических моделей, описывающих взаимодействие атмосфер экзопланет со вспышками и корональными выбросами массы. В 2016 году авторами Проекта впервые было проведено трехмерное численное моделирование взаимодействия коронального выброса массы (КВМ) на оболочку горячего юпитера. Было исследовано влияние выброса, параметры которого соответствуют солнечным, на оболочки горячих юпитеров относящихся к двум типам – замкнутым (полностью лежащим в пределах полости Роша) и квази-замкнутым, распространяющимся за пределы полости Роша и стабилизируемых звездным ветром. Было показано, что при прохождении через КВМ происходит практически полное разрушение квази-замкнутой и существенная деформация замкнутой оболочек, что приводит к значительному выбросу массы – 1e16 и 5e15 г., соответственно. Темп потери массы при этом в 14.1 и 10.8 раз превосходит потерю массы в стационарном решении. В случае, если тип активности звезды соответствует солнечному, периодическое взаимодействие с КВМ будет приводить к уменьшению характерного времени жизни горячего юпитера в примерно 3 раза, по сравнению со стационарным случаем. Магнитные поля горячих юпитеров весьма плохо изучены. Теоритические оценки показывают, что у таких планет довольно быстро должна происходить синхронизация собственного вращения с орбитальным, что делает невозможным существование динамо-механизма генерации поля. Оценки, сделанные из наблюдений говорят, что, например, магнитный момент горячего юпитера WASP 12b не должен превышать 0.1 от магнитного момента Юпитера. Тем не менее, как показали расчеты, выполненные в 2016 году в рамках Проекта, даже такого слабого поля достаточно, чтобы существенно изменить структуру течения вблизи планеты и уменьшить темп потери массы атмосферой в 4 раза. С использованием разработанного на предыдущих этапах Проекта численного кода было проведено трехмерное МГД-моделирование структуры течения для планеты WASP 12b в предположении, что она имеет собственное дипольное магнитное поле с магнитным моментом равным 0.1 юпитерианского и магнитной осью, ориентированной перпендикулярно орбитальной плоскости. Как показало сравнение с результатами аналогичного чисто газодинамического моделирования, даже такого слабого магнитного поля достаточно, чтобы принципиально изменить тип газовой оболочки планеты – перевести ее из открытой в квази-замкнутую. Это, прежде всего, говорит о том, что магнитные поля являются важным фактором, во многом определяющим структуру протяженных газовых оболочек горячих юпитеров и их изучение должно быть продолжено. В рамках этапа 2016 года также была впервые разработана самосогласованная аэрономическая модель верхней атмосферы горячего юпитера с учетом надтепловых фотоэлектронов. Эта модель необходима для корректного задания распределения плотности и температуры атмосферы горячего юпитера при моделировании. Данная модель включает в себя модуль Монте-Карло, химический модуль, и газодинамический модуль. В модуле Монте-Карло на основе начальных распределений концентрации компонентов атмосферы и температуры ведется расчет интенсивности нагрева атмосферы, скоростей ионизации, диссоциации и возбуждения компонентов атмосферы. В химическом модуле на основе скоростей реакций, рассчитанных в модуле Монте-Карло, определяются концентрации компонентов атмосферы. В газодинамическом модуле из скорости нагрева рассчитывается изменение макроскопических характеристик атмосферы: плотности, скорости, температуры. По степени учета физических процессов данная модель является одной из наиболее совершенных в мире на настоящий момент. Также в 2016 году в рамках Проекта был разработан численный метод для определения распределений вещества в газовых оболочках планет, комет и других небесных тел на основе обратного преобразования Абеля с регуляризацией Тихонова, в котором непосредственно учитываются свойства исследуемых газовых оболочек. Тесты, проведенные с использованием наблюдений комет показали высокую точность результатов, получаемых с помощью данного метода.