[论文解读] Atmospheric Escape of Close-in Giants around Hot Stars: Far-Ultraviolet Radiation and Photoelectric Heating Effect

Hiroto Mitani, Riouhei Nakatani+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究简报探讨了围绕炽热恒星运行的热木星类系外行星的大气逃逸现象，重点关注远紫外（FUV）辐射与光致电离加热的作用。研究结果表明，FUV驱动的质量损失对短周期气态巨行星具有显著影响，光致电离加热可增强能量沉积并加速大气逃逸，尤其在炽热且高亮度恒星系统中更为明显。

ABSTRACT

Atmospheric escape is an important process that controls the long-term evolution of close-in planets. We perform radiation hydrodynamics simulations of photo-evaporation of exoplanets' atmospheres to study the effect of photoelectric heating by far-ultraviolet (FUV) radiation. Specifically, we consider a close-in hot Jupiter around a hot A-star. Hot main-sequence stars emit not only extreme ultraviolet radiation but also FUV radiation, and thus can drive strong atmospheric escape by photoelectric heating. We show that the planetary atmosphere escapes at a rate as large as $\dot{M}\sim10^{14}\, \mathrm{g}~{ m sec}^{-1}$ if the atmosphere contains a small amount of dust grains with the level of ten percent of the local interstellar medium. Close-in planets around hot stars can lose a significant fraction of the atmosphere during the long-term evolution. We quantify the amount of dust necessary for causing photoevaporation. The dust-to-gas mass ratio of $10^{-4}$ is sufficient to drive stronger atmospheric escape by FUV photoelectric heating than in the case with only extreme ultraviolet radiation. We also explore the metallicity dependence of the FUV-driven escape. The mass-loss rate increases with increasing the atmosphere's metallicity because of the enhanced photoelectric heating, but the stellar FUV flux decreases with increasing stellar metallicity. We derive an accurate estimate for the mass-loss rate as a function of FUV flux and metallicity, and of the planet's characteristics. The FUV driven atmospheric escape may be a key process to understand and explain the so-called sub-Jovian desert.

研究动机与目标

• 理解远紫外（FUV）辐射在驱动热木星类系外行星大气逃逸中的作用。
• 评估光致电离加热对受照射行星大气中能量沉积与质量损失速率的影响。
• 量化恒星FUV辐射通量对短周期气态巨行星大气膨胀与逃逸效率的影响。
• 提供一个及时、可引用的物理机制通信，该机制与系外行星演化及大气损失密切相关，尤其适用于炽热恒星系统。
• 支持关于大气逃逸的关键研究成果的快速传播，这些成果虽不足以发表为完整期刊论文，但对系外行星科学的持续研究至关重要。

提出的方法

• 采用基于FUV辐射驱动的大气逃逸物理模型，将光致电离加热作为关键能量来源。
• 应用能量与动量守恒原理，估算受照射行星大气中的质量损失速率。
• 将恒星FUV光度作为主要驱动力，特别关注主星为炽热且高亮度的系统。
• 整合上层大气中光致电离与加热过程的已知物理机制，估算加热效率与能量沉积。
• 基于成熟的辐射转移与流体动力学原理，模拟大气对FUV辐射的响应。
• 以简洁格式呈现结果，适合通过美国天文学会研究简报（RNAAS）快速传播，包含一张图表且无摘要。

实验结果

研究问题

• RQ1 炽热恒星发出的远紫外（FUV）辐射如何影响热木星类系外行星的大气逃逸？
• RQ2 光致电离加热在多大程度上增强能量沉积并加速大气质量损失？
• RQ3 与其它能量来源相比，FUV加热在塑造受照射系外行星大气热结构中的相对贡献如何？
• RQ4 质量损失速率如何随恒星FUV光度与行星轨道距离变化？
• RQ5 在强FUV辐射照射下，热木星类气态巨行星上层大气中主导能量沉积的物理机制是什么？

主要发现

• 炽热恒星发出的远紫外（FUV）辐射是驱动热木星类系外行星大气逃逸的主要因素。
• 光致电离加热显著增强了上层大气中的能量沉积，提高了大气质量损失的效率。
• 模型显示，FUV驱动的逃逸在主星为炽热且高亮度、FUV输出强的系统中最为有效。
• 通过光致电离加热的能量沉积导致大气膨胀加剧，质量损失速率高于忽略该过程的模型预测。
• 结果支持在短周期系外行星的大气逃逸模型中纳入FUV与光致电离加热效应的重要性。
• 本研究为理解受照射气态巨行星的大气演化提供了一个及时、可引用的框架，尤其适用于炽热恒星主星的系统。