Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Открытие в последние годы нескольких тысяч экзопланет ставит множество новых задач по интерпретации наблюдательных данных. Решение их невозможно без создания численных моделей, описывающих процессы взаимодействия атмосфер экзопланет со звездным ветром и излучением звезды, поскольку именно эти процессы ответственны за наиболее важные наблюдательные проявления экзопланет. Целью Проекта является создание, на основе имеющихся разработок, единой самосогласованной модели, описывающей как непосредственно атмосферу, так и динамику протяженных оболочек экзопланет с водородно-гелиевыми оболочками. В рамках первого года Проекта было разработано несколько необходимых компонентов модели, проведена их верификация и получен с их помощью ряд важных научных результатов: 1. Впервые в полностью трехмерной постановке исследовано влияние радиативного давления родительской звезды на оболочку горячего юпитера. Показано, что в системе HD 209458b радиативное давление не может оказывать значительного влияния на течение, однако, такое влияние могло быть значимым на ранних стадиях эволюции звезды. 2. Впервые проведено численное моделирование взаимодействия потоков протонов и атомов водорода солнечного ветра с атмосферой Марса с учетом индуцированного и остаточного магнитного поля. Данное исследование позволяет получить данные, необходимые для верификации МГД-модели, поскольку разреженность атмосферы Марса, а также слабость его магнитного поля позволяет солнечному ветру непосредственно взаимодействовать с атмосферой в области, где магнитное поле важно, что должно наблюдаться и в горячих экзопланетах. 3. В рамках одномерной аэрономической модели верхней атмосферы планеты-гиганта рассмотрена реакция атмосферы на дополнительный нагрев, вызванный воздействием звездной вспышки на атмосферу горячего юпитера с параметрами HD 209458b. Впервые показано, что такая вспышка должна приводить к возникновению двух ударных волн в атмосфере горячего юпитера, оценена возможность их наблюдения имеющимися приборами. 4. Проведено численное моделирование процесса потери массы горячими нептунами с параметрами, лежащими внутри т.н. «пустыни горячих нептунов» – области на диаграмме масса-период, где обнаружено аномально низкое число планет. Впервые показано, что данный феномен не может быть адекватно объяснен в рамках гипотезы об испарении атмосфер планет излучением звезды. Установлено, что испарение может играть существенную роль лишь для маломассивных планет, находящихся на нижней границе «пустыни горячих нептунов», в то время как для массивных планет этот механизм не работает. Также показано, что результаты численного моделирования значительно расходятся с предсказаниями моделей, обычно используемых для оценки темпов потери массы планетами такого типа. Получение этих результатов потребовало создания новых численных кодов. В частности, в рамках Проекта был разработан трехмерный газодинамический код, учитывающий давление излучения родительской звезды, трехмерный МГД-код, учитывающий как магнитное поле планеты, так и звездного ветра, газодинамический код, позволяющий моделировать течения в оболочках горячих экзопланет с эллиптическими орбитами. Также нами были созданы одномерные аэрономические модели, учитывающие процессы, включение которых в трехмерные коды затруднительно по причине их высокой вычислительной сложности.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Целью Проекта является создание самосогласованной численной модели, предназначенной для исследования течений в протяженных оболочках горячих экзопланет – горячих юпитеров и горячих нептунов. Для достижения этой цели необходимо решение ряда частных задач, работы по которым велись в 2019 году: 1) Разработана трехмерная газодинамическая модель, учитывающая разницу в температуре дневной и ночной сторон горячего юпитера. Ранее нами проводилось трехмерное газодинамическое и МГД-моделирование структуры течения в оболочках горячих экзопланет в предположении, что атмосфера находится в термодинамическом равновесии и имеет одинаковую температуру во всех точках ниже фотометрического радиуса. В качестве температуры атмосферы нами бралось теоретическое значение, полученное для дневной стороны планеты, так как это позволяло получить корректное решение для окрестности внутренней точки Лагранжа L1, где начинается наиболее сильное истечение, формирующее открытую или квази-замкнутую оболочку. Тем не менее, моделирование показало, что в окрестности точки L2, на ночной стороне планеты, также формируется истечение, образующее шлейф вещества за планетой. В отличие от истечения через окрестность L1, истечение через L2 присутствует во всех решениях, в том числе и в случае замкнутых оболочек. Для корректного моделирования условий в окрестности точки L2 нами была разработана модель, учитывающая неравномерный прогрев атмосферы экзопланеты, при котором температуры дневной и ночной сторон различаются. Проведено тестирование и отладка кода. По результатам работы готовится к публикации статья. 2) Были продолжены работы по созданию МГД и Монте-Карло моделей для исследования атмосфер экзопланет с учетом магнитного поля. В рамках этапа 2019 года нами была доработана аэрономическая модель, которая теперь включает в себя учет магнитного поля. Для отладки и верификации разработанной модели она была применена при интерпретации наблюдений Марса, полученных космическими аппаратами Mars Express и MAVEN. Было показано, что присутствие горизонтальной составляющей индуцированного магнитного поля отчасти увеличивает ширину эмиссионных линий и уменьшает высоту эмиссионного пика в следствие воздействия эффекта магнитного барьера на высыпания протонов. Яркость линии Lyman-alpha также уменьшается в результате усиления магнитного экранирования протонов. По результатам работы опубликована статья. Проведено численное моделирование течения в оболочках экзопланет с различными параметрами собственного дипольного магнитного поля. В качестве примера рассмотрен горячий юпитер HD 209458b. Величина магнитного момента планеты задавалась равной 0.1 от магнитного момента Юпитера. В расчетах также учитывалось магнитное поле звездного ветра, параметры которого соответствуют случаю сверх-альфвеновского режима обтекания атмосферы планеты. Наши расчеты показали, что в таких условиях вокруг горячего юпитера формируется квази-замкнутая газовая (ионосферная) оболочка с наведенной ударной магнитосферой, детальная структура которой определяется наклоном магнитного диполя. При этом темп потери массы зависит от ориентации дипольного магнитного поля планеты и возрастает с увеличением угла между направлением на звезду и направлением на ближайший к внутренней точке Лагранжа магнитный полюс. Это обусловлено ростом электромагнитных сил, препятствующих свободному движению вещества в формирующемся истечении, при приближении магнитного полюса к внутренней точке Лагранжа. Также было показано, что истечение вещества оболочки горячей экзопланеты может препятствовать проникновению частиц звездного ветра в область магнитосферного каспа (т.е. область с открытыми магнитными линиями планеты), что, в свою очередь может быть причиной невозможности регистрации авроральных свечений у горячих юпитеров. По результатам работы сдана в печать статья. 3) Проведена адаптация численных газодинамической и МГД моделей оболочек для моделирования горячих нептунов. Разработанная в рамках данного Проекта аэрономическая модель была адаптирована для исследования атмосфер и включения в МГД модель газовых оболочек горячих нептунов. В модели учитывается скорость перехода энергии жесткого УФ излучения родительской звезды, как подобной Солнцу, так и красного карлика во внутреннюю энергию атмосферного газа, вычисляется энергия надтепловых фотоэлектронов, которая преобразуется в тепловую энергию и внутреннее возбуждение атмосферного газа, с использованием полученных в кинетической части скоростей фотохимических реакций с учетом различных энергетических спектров в жестком УФ диапазоне исследуемых классов родительских звезд рассчитывается состав атмосферы. Интенсивности нагрева далее используются также в газодинамической части модифицированной аэрономической модели для вычисления скорости, плотности и температуры. 4) Проведено моделирование облака надтепловых атомов водорода в рамках модифицированной аэрономической модели и оценен вклад надтепловых атомов в отток атмосферы горячей экзопланеты Gliese 436b. Расчеты показали, что поток убегания достигает ~1e9 частиц на кв. см. в секунду для умеренного уровня звездной активности в УФ излучении в рассматриваемом диапазоне ультрафиолетового излучения, соответственно, данный источник надтепловых атомов водорода необходимо включить в современные аэрономические модели физических и химических процессов в верхних атмосферах горячих экзопланет, включая горячие нептуны. По результатам работы готовится к печати статья. 5) Проведено трехмерное моделирование отклика атмосферы горячего юпитера на супервспышку родительской звезды. По результатам трехмерного газодинамического расчета показано, что выброшенное в результате вспышки вещество увеличивает размер оболочки в течение нескольких часов, что может быть зафиксировано с помощью уже имеющихся возможностей наблюдения. Показано, что для наиболее мощной рассматриваемой супервспышки темп потери массы может увеличиваться на порядок величины на несколько десятков часов. Так, для вспышек с 10-кратным, 100-кратным и 1000-кратным увеличением интенсивности в XUV диапазоне атмосфера теряет: 4e13, 2e14 и 2e15 г вещества соответственно. Очевидно, что данный эффект не вносит заметного вклада в средний темп потери массы атмосферы горячего юпитера для медленновращающихся звезд, таких как Солнце, возможно, для более молодых и быстровращающихся звезд это может быть важным эффектом, который необходимо рассматривать при эволюционных расчетах. По результатам работы опубликована статья. 6) Разработана трехмерная численная газодинамическая модель, предназначенная для исследования структуры течения в оболочках горячих юпитеров с эллиптическими орбитами. Для увеличения скорости и повышения точности моделирования расчет проводится в неинерциальной системе координат, движущейся вместе с планетой по эллиптической орбите. При этом собственное вращение системы координат задано таким образом, чтобы сохранять постоянным направление на звезду. Это позволило упростить вид уравнений, используемых при моделировании, а также производить вычисления на неравномерных сетках и избежать потерь точности, вызываемых движением планеты по сетке. По результатам работы готовится к публикации статья.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
2020-й год является завершающим годом исполнения Проекта. В рамках этапа этого года нами было завершено создание самосогласованной модели водородно-гелиевой атмосферы горячей экзопланеты. Модель включает в себя аэрономический блок, МГД-модуль и модуль учета давления излучения. Основу объединенной модели составляет МГД-модуль, который в рамках этапа 2020 года был усовершенствован путем включения более реалистичной модели звездного ветра. Блок аэрономии включает в себя модули Монте-Карло, химической кинетики и одномерной газодинамики, в 2020 году он был расширен за счет включения модуля для расчета вклада процессов высыпания заряженных частиц с высокими энергиями из звездного ветра в тепловой баланс и химический состав верхней атмосферы горячей планеты-гиганта . Модуль учета давления излучения в истекшем году не модифицировался. Разработанная самосогласованная численная модель представлена в статье, размещенной в сети Интернет: Д.В. Бисикало, В.И. Шематович, П.В. Кайгородов, А.Г. Жилкин (D.V. Bisikalo, V.I. Shematovich, P.V. Kaygorodov, A.G. Zhilkin) Extended envelopes of hot Jupiters Physics-Uspekhi https://doi.org/10.3367/UFNe.2020.11.038879 (2021 г.). Создание самосогласованной модели позволило решить несколько важных астрофизических задач, и получить ряд новых научных результатов. В частности, проведен набор численных расчетов структуры течения в окрестности типичного горячего юпитера (на примере системы HD 209458), параметры магнитного поля ветра в которых варьировались в пределах теоретических и наблюдательных оценок. Было показано, что в случае суб-альфвеновского режима обтекания возникает новый, не исследованный ранее тип ионосферных оболочек, по свойствам близкие к наблюдаемым у некоторых теплых нептунов. Также нами была рассмотрена ситуация, когда при резком изменении параметров звездного ветра, например, при прохождении через корональный выброс массы, происходит переключение режима обтекания из сверх-альфвеновского в суб-альфвеновский и обратно. Такое переключение должно сопровождаться временным исчезновением отошедшей ударной волны перед планетой, что может повлиять, в частности, на наблюдаемый поток рентгеновского излучения. Потенциально этот эффект может наблюдаться не только для транзитных горячих юпитеров, это дает уникальную возможность для открытия экзопланет, обнаружение которых другими способами невозможно. Результаты представлены в статьях, размещенных в сети Интернет: 1) А.Г. Жилкин, Д.В. Бисикало (A. G. Zhilkin, D. V. Bisikalo) Possible New Envelope Types of Hot Jupiters Astronomy reports, Vol. 64, No. 7, pp. 563–577 https://doi.org/10.1134/S1063772920080090 (2020 г.), 2) А.Г. Жилкин, Д.В. Бисикало, П.В. Кайгородов (A. G. Zhilkin, D. V. Bisikalo, P. V. Kaygorodov) The Orientation Influence of a Hot Jupiter’s Intrinsic Dipole Magnetic Field on the Flow Structure in Its Extended Envelope Astronomy reports, Vol. 64, No. 3, pp. 259–271 https://doi.org/10.1134/S1063772920030063 (2020 г.) В рамках Проекта впервые был рассмотрен новый механизм миграции горячих юпитеров. Известно, что открытие горячих юпитеров, расположенных вблизи звезды, стало серьезным вызовом для космогонических теорий. Поиск возможных механизмов миграции горячих юпитеров стал одной из наиболее актуальных задач. Нами были сделаны оценки влияния истечений атмосферы на процесс миграции горячего юпитера. Впервые была создана модель, которая позволяет согласованно описывать процесс гравитационного взаимодействия планеты и вещества, истекающего из её атмосферы, накопление вещества в тороидальной оболочке и эволюцию его распределения, а также приливное гравитационное взаимодействие планеты с тороидальной оболочкой и миграцию орбиты планеты на шкале времени порядка миллиардов лет. Модель была рассчитана на примере системы HD 209458 с горячим юпитером. По результатам моделирования было показано, что совместное действие приливной силы отталкивания планеты и силы турбулентной вязкости приводит к накоплению вещества на орбите вокруг звезды – формированию тороидальной оболочки. Последующий обмен орбитальным угловым моментом между планетой и тороидальной оболочкой приводит к миграции планеты по направлению к звезде. По мере приближения планеты к звезде темп истечения её атмосферы возрастает, поскольку растет поток ионизующего излучения от звезды. Это способствует увеличению массы тороидальной оболочки и ускорению процесса миграции. В зависимости от модельного вида закона вязкости и параметра турбулентности, за время порядка 4.6 млрд. лет планета успевала мигрировать от начальной орбиты 0.41…0.67 а.е. до современной наблюдаемой орбиты 0.045 а.е. Результаты представлены в статье, размещенной в сети Интернет: Е. П. Курбатов, Д. В. Бисикало, И. Ф. Шайхисламов Миграция горячих юпитеров под действием истечения атмосфер Астрономический Журнал, том 97, № 12, с. 986–996 https://doi.org/10.31857/S0004629920120063 (2020 г.) Также, согласно плану 2020 года нами была подготовлена и издана монография «Газовые оболочки экзопланет-горячих юпитеров», авторы: Д.В. Бисикало, В.И. Шематович, П.В. Кайгородов, А.Г. Жилкин, М.: Наука, 2020. В книге представлены основные результаты исследований, позволившие ответить на ряд принципиальных вопросов о физике, структуре и динамике оболочек горячих юпитеров (ГЮ). В частности, в монографию вошли результаты, полученные в рамках настоящего Проекта. Монография содержит 252 страницы, 92 иллюстрации и 255 ссылок в списке литературы. Книга предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся изучением экзопланет, а также для аспирантов и студентов старших курсов, специализация которых предполагает знакомство с методами и результатами теоретических исследований атмосфер и оболочек экзопланет.