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云南天文臺系外行星大氣逃逸研究獲新進展
2019-10-11  |  作者:  |  【  】 【打印】 【關閉

  中國科學院云南天文臺研究生閆冬冬及其導師郭建恒研究員等詳細研究了系外行星大氣的流體動力學逃逸,并修正了估計行星物質損失率的能量限制方程。近期,美國《天體物理學雜志》(The Astrophysical Journal)發表了他們的最新研究成果。

  觀測和理論發現一些系外行星經歷著大氣逃逸。大氣逃逸可以影響行星的組成、分布和演化等。行星大氣的物質損失率是表征大氣逃逸的一個重要物理量。行星受到主星強烈的X射線和極紫外線(XUV)輻射,其大氣會被加熱后膨脹從而克服行星的引力勢而逃逸,并伴有持續的物質損失。逃逸的粒子還具有一定的動能和熱能。單位時間內逃出的粒子質量被稱為物質損失率。假設加熱大氣的能量全部用來克服行星的引力勢,可以推導出估計行星物質損失率的能量限制方程。該方程指出物質損失率正比于行星接收到的XUV輻射流量與行星平均密度的比值,并且與行星大氣的加熱效率和XUV特征吸收半徑有關。

  在本工作中,閆冬冬等人利用大氣逃逸的一維流體動力學模型研究了近450個系外行星系統,給出了流體動力學的物質損失率,加熱效率和XUV特征吸收半徑。在此基礎上,他們與能量限制方程的物質損失率進行比較。

  他們發現當行星接收的XUV輻射流量(或物質損失率)高于一定值時,能量限制方程估計的物質損失率要比流體動力學模型給出的物質損失率高,即高估了物質損失率。在能量限制方程中考慮逃逸粒子的動能和熱能變化(修正的能量限制方程)后,能量限制方程的物質損失率和流體動力學的基本一致。這是因為隨著行星引力勢與X射線和極紫外線輻射的積分流量(Fxuv)乘積的增加,粒子動能與熱能變化的和將逐漸增加,以至于和行星的勢能變化可比擬。

  論文作者給出了能量限制方程的適用性,并提出當XUV輻射流量高于一定值時,需要對能量限制方程進行修正。準確地估計行星的物質損失率,對行星的形成演化及大樣本型組合成的研究具有非常重要的意義。

  本研究工作得到國家自然科學基金的支持。

 

  論文鏈接  

 
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