系外行星上层大气的流体动力学和辐射转移研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 闫冬冬
|
| 答辩日期 | 2023 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李立芳 ; 郭建恒 |
| 关键词 | 系外行星上层大气 流体动力学 辐射转移 透射光谱 氢和氦 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Hydrodynamics and radiative transfer in the upper atmosphere of exoplanets |
| 英文摘要 | 太阳系外行星大气逃逸对行星的组成、演化和可宜居性等方面都有重要的影响，是目前国际天文学和天体物理领域的前沿和热点问题。透射光谱法是探测行星大气的有效方法。通过分析凌食过程中多个波段的透射光谱，人们已经在一些系外行星周围探测到了逃逸的氢氦大气。例如，通过远紫外波段的Ly 的透射光谱，人们探测到了一些系外行星周围存在着逃逸的氢大气。研究表明，逃逸的氢大气是由恒星X 射线和极紫外辐射(XUV) 所驱动的。在光学波段，地面望远镜探测到了H 的超量吸收。然而，目前对H 吸收信号的解释还非常有限。此外，氦的近红外三重线He 10830 是探测系外行星周围氦大气的重要指示器。由于恒星Ly 会受到星际介质吸收和地冕Ly 发射的影响，只能用太空望远镜对其观测。然而，H 和He 10830 谱线都不受星际介质污染，可以用地面望远镜对其进行探测。到目前为止，在一些系统中同时探测到了这两种吸收线。同时模拟H 和He 10830 谱线的吸收可以更好地限制行星大气的参数，从而更好地研究大气性质。然而，到目前为止这样的工作还非常少。在本论文中，我们对上述问题进行了研究。我们分别模拟了热木星WASP-121b 的H 透射光谱以及热木星WASP-52b 的H 和He 10830 谱线的吸收。我们使用流体动力学模型来模拟行星大气的结构，并利用非局部热力学统计平衡模型来计算氢氦原子的能级布据数，然后使用辐射转移模型模拟透射光谱。此外，我们使用蒙特卡洛模拟来计算与第一激发态中氢原子H(2) 数密度直接相关的Ly 平均强度。在WASP-121b 的工作中，我们假设恒星Ly 辐射和行星大气均为平面平行结构。在WASP-52b 的工作中，我们引入了新的蒙特卡洛模型来模拟行星大气中Ly 辐射场强度分布，并假设恒星Ly 和行星大气均为非平面平行的球对称位形。主要结果如下：首先，WASP-121b 的基准模型预测行星物质损失率为1.28×1012g s−1。由基准模型预测的高温和Ly 强度使得许多氢原子被激发到第一激发态。模型H 透射光谱与观测结果基本一致。通过模拟不同观测时间的H 吸收，我们发现恒星的XUV 辐射流量在0.5-1.5 倍的基准值范围内变化，并推测这可能反映了恒星活动性的变化。最后，通过比较H 的等值宽度，我们发现行星大气的超声速区域对H 的吸收有显著贡献。本工作表明地面望远镜可以探测到由主星的XUV辐射驱动的行星上层大气的超声速流，且H 是逃逸大气很好的探针。其次，通过模拟WASP-52b 的H 和He 10830 透射光谱，我们发现当主星XUV 流量较高且X 射线流量占比较小，或XUV 流量较低且X 射线流量占比较大时，不同氢氦比的模型可以很好地再现H 的观测结果。对He 10830 三重线的模拟表明，行星大气中的氢氦比要比太阳的高。能同时很好地拟合这两条谱线的模型给出氢氦比约为98/2，XUV 流量约为基准值的0.5 倍，且X 射线流量占总XUV 流量的30%。模型还表明氢和氦来源于逃逸的大气，物质损失率约为2.8×1011 g s−1。这样的逃逸大气可能影响行星大气的演化。本工作有助于未来利用地面望远镜探测行星周围逃逸的氢氦大气，对行星大气的研究提供了有价值的参考，将成为行星大气研究的基石。随着地面望远镜和空间望远镜的发展，探索更多未知大气已成为可能。未来我们将通过理论模型对更多观测进行解释，结合行星演化，系统地探索行星大气逃逸的内在规律。这样的工作不仅可以使我们对太阳系外行星大气的逃逸和演化有更深入的了解，而且可以对早期太阳系内行星大气逃逸的研究提供有价值的参考。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/26404]  |
| 专题 | 云南天文台_恒星物理研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 闫冬冬. 系外行星上层大气的流体动力学和辐射转移研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。