Звездный ветер и эффективность плазменного радиоизлучения экзопланет

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Представлены результаты исследования влияния звездной активности на эффективность плазменного механизма генерации радиоизлучения и на свойства этого излучения в атмосфере экзопланет со слабым магнитным полем. Плазменный механизм генерации может эффективно реализоваться в случае, когда ленгмюровская частота превышает гирочастоту электронов и электронный циклотронный мазер не эффективен. Этот механизм, существенно зависящий от параметров плазмы, предполагает генерацию плазменных (квазистатических) волн энергичными электронами с последующей конверсией их в электромагнитное излучение. Звездный ветер в зависимости от его интенсивности может в значительной степени модифицировать плазмосферу экзопланеты и менять ее параметры. На примере взаимодействия экзопланеты HD189733b со звездным ветром различной интенсивности центральной звезды показано, что реализация плазменного механизма возможна при любой интенсивности звездного ветра, меняются только требования к параметрам плазменного механизма. В частности, меняется величина плотности энергии плазменных волн, необходимая для генерации потока радиоизлучения, доступного для регистрации современными радиоастрономическими средствами, и меняется его частотный диапазон. Последнее позволит использовать регистрируемое радиоизлучение как индикатор активности материнской звезды.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. В. Зайцев

Институт прикладной физики РАН

Email: sh130@ipfran.ru
Russian Federation, Нижний Новгород

В. Е. Шапошников

Институт прикладной физики РАН; НИУ Высшая школа экономики

Author for correspondence.
Email: sh130@ipfran.ru

Нижегородский филиал

Russian Federation, Нижний Новгород; Нижний Новгород

М. Л. Ходаченко

Институт космической исследований ААН

Email: sh130@ipfran.ru
Austria, Грац

М. С. Руменских

Институт лазерной физики СО РАН; Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

Email: sh130@ipfran.ru
Russian Federation, Новосибирск; Троицк

References

  1. Буркхарт, Лоеб (B. Burkhart and A. Loeb), Astrophys. J. 849, L10 (2017).
  2. Вебер и др. (C. Weber, H. Lammer, I.F. Shaikhislamov, J.M. Chadney, M.L. Khodachenko, J.-M. Grießmeier, H.O. Rucker, C. Vocks, et al.), MNRAS 469, 3505 (2017).
  3. Вебер и др. (C. Weber, N.V. Erkaev, V.A. Ivanov, P. Odert, J.-M. Grießmeier, L. Fossati, H. Lammer, and H.O. Rucker), MNRAS 480, 3680 (2018).
  4. Видотто, Донати (A.A. Vidotto and J. Donati), Astron. Astrophys. 602, A39 (2017).
  5. Ву, Ли (C.S. Wu and L.C. Lee), Astrophys. J. 230, 621 (1979).
  6. Гинзбург В.Л., Распространение электромагнитных волн в плазме (М.: Наука, 1967).
  7. Го (J.H. Guo), Astrophys. J. 733, id. 98 (2011).
  8. Гриссмайер и др. (J.-M. Grießmeier, S. Preussec, M. Khodachenkod, et al.), Planet. Space Sci. 55, 618 (2007а).
  9. Гриссмайер и др. (J.-M. Grießmeier, P. Zarka, and H. Spreeuw), Astron. Astrophys. 475, 359 (2007б).
  10. Жардин, Камерон (M. Jardine and A.C. Cameron), Astron. Astrophys. 490, 843 (2008).
  11. Железняков В.В., Излучение в астрофизической плазме (М.: Янус К, 1997).
  12. Железняков В.В., Зайцев В.В., Злотник Е.Я., Письма в Астрон. журн. 38, 660 (2012) [V.V. Zeleznyakov et al., Astron. Lett. 38, 589 (2012)].
  13. Зайцев, Степанов (V.V. Zaitsev and A.V. Stepanov), Astron. Astrophys. 45, 135 (1975).
  14. Зайцев, Степанов (V.V. Zaitsev and A.V. Stepanov), Solar Phys., 88, 297 (1983).
  15. Зайцев В.В., Степанов А.В., Изв. ВУЗов Радиофизика 59, 966 (2016).
  16. Зайцев, Шапошников (V.V. Zaitsev and V.E Shaposhnikov), MNRAS 513, 4082 (2022).
  17. Зарка (P. Zarka), Planet. Space Sci. 55, 598 (2007).
  18. Мелроуз и др. (D.B. Melrose, G.A. Dulk, and R.G. Hewitt), J. Geophys. Res. 89, 897 (1984).
  19. Наранг и др. (M. Narang, P. Manoj, C.H. Ishwara Chandra, J. Lazio, Th. Henning, M. Tamura, B, Mathew, N. Ujwal, and P. Mandal), MNRAS 500, 4818 (2021).
  20. Наранг и др. (M. Narang, A.V. Oza, K. Hakim, P. Manoj, R.K. Banyal, and D.P. Thorngren), MNRAS 165, id. 1 (2023).
  21. Николс, Милан (J.D. Nichols and S.E. Milan), MNRAS 461, 2353 (2016).
  22. Руменских и др. (M.S. Rumenskikh, I.F. Shaikhislamov, M.L. Khodachenko, H. Lammer, I.B. Miroshnichenko, A.G. Berezutsky, and L. Fossati), Astrophys. J. 927, id. 238 (2022).
  23. Селхорст и др. (C. Selhorst, C.L. Barbosa, P.J.A. Simões, A.A. Vidotto, and A. Valio), Astrophys. J. 895, id. 62 (2020).
  24. Тернпенни и др. (S. Turnpenney, J.D. Nichols, G.A. Wynn, and M.R. Burleigh), Astrophys. J. 854, id. 72 (2018).
  25. Тернпенни и др. (S. Turnpenney, J.D. Nichols, G.A. Wynn, and X. Jia), MNRAS 494, 5044 (2020).
  26. Цытович В.Н., Теория турбулентной плазмы (М.: Атомиздат, 1971).
  27. Шапошников и др. (V.E. Shaposhnikov, G.V. Litvinenko, V.V. Zaitsev, V.V. Zakharenko, and A.A. Konovalenko), Astron. Astrophys. 645, A31 (2021).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Distributions of plasma density ne and temperature T for a three-dimensional model of the interaction of the exoplanet HD189733b with the stellar wind of the parent star at a moderate wind intensity (a) (the mass of the star carried away by the wind is 1011 g s–1) and at an intense wind (b) (the mass of the star carried away by the wind is 2 × 1013 g s–1).

Download (66KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Change in the instability/stability region of plasma waves (solid line) and the possible frequency of generated radio emission (dashed lines) with altitude in the plasmasphere of an exoplanet with moderate (a) and intense wind (b).

Download (88KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The region of realization of maser amplification of electromagnetic waves and the change in the frequency of radio emission depending on the height of the source in the plasmasphere of the exoplanet with moderate wind intensity (a) and with intense wind (b). Solid lines correspond to the boundary values ​​of the density of plasma waves with phase velocities equal to 〈vph〉 ≈ c/3 (lower line) and 〈vph〉 ≈ c/4 (upper line).

Download (99KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Relative (in relation to the energy of the equilibrium plasma) energy density of plasma waves required to generate a radio emission flux of 1 Jy on Earth, and its frequency depending on the height of the source in the plasmasphere at moderate wind intensity (a) and at intense wind (b). The upper solid line corresponds to plasma waves with phase velocities equal to 〈vph〉 ≈ c/3, and the lower line – 〈vph〉 ≈ c/4.

Download (78KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Change in the radio emission flux at the Earth level depending on the source altitude in the case of generation at a doubled plasma frequency with an energy density of plasma waves Wp = 10–3nkBT in a moderate (a) and intense (b) stellar wind.

Download (92KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Change in the plasma wave energy density required to obtain a radio emission flux of 1 Jy at Earth level (solid line) as a function of the source altitude, when generated at double the plasma frequency, and the frequency of the received radiation (dashed line) in the case of moderate (a) and intense (b) stellar wind.

Download (76KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Relative energy density of plasma waves required to obtain a radio flux of 1 Jy at the Earth level in the frequency range above the cutoff frequency fcut ≈ 8 MHz for Rayleigh (solid line) and Raman (dashed line) scattering in the case of moderate (a) and intense (b) stellar wind.

Download (70KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences