Vol. 37, issue 01, article # 5

Abstract:

Transit observations of exoplanets make it possible to measure temperature and relative abundance of various elements in their atmospheres. The infrared line of metastable helium HeI 10830 Å is widely used to study the atmospheres of exoplanets by the transit absorption method. The emission spectra of stars have a significant impact on the physical and chemical parameters of the upper layers of the atmospheres. In this paper, we consider the features of absorption in the helium line for stars of different spectral classes by numerical simulation. The results show the key role of the star's emission spectrum in the formation of the upper atmosphere and in the amplitude of transit absorption of exoplanets in the HeI 10830 Å line.

Keywords:

atmospheric optics, transmission spectroscopy, exoplanet, numerical simulation, metastable helium

References:

1. Kulikov Y.N., Lammer H., Lichtenegger H.I., Penz T., Breuer D., Spohn T., Lundin R., Biernat H.K. A comparative study of the influence of the active young Sun on the early atmospheres of Earth, Venus, and Mars // Space Sci. Rev. 2007. V. 129. P. 207–243.
2. Nakayama A., Ikoma M., Terada N. Survival of Terrestrial N₂–O₂ Atmospheres in Violent XUV Environments through Efficient Atomic Line Radiative Cooling // Astrophys. J. 2022. V. 937. P. 72–89.
3. Erkaev N.V., Lammer H., Odert P., Kulikov Y.N., Kislyakova K.G., Khodachenko M.L., Güdel M., Hanslmeier A., Biernat H. XUV-exposed, non-hydrostatic hydrogen-rich upper atmospheres of terrestrial planets. Part I: Atmospheric expansion and thermal escape // Astrobiology. 2013. V. 13. P. 1011–1029.
4. Seager S.V., Sasselov D.D. Theoretical transmission spectra during extrasolar giant planet transits // Astrophys. J. 2000. V. 537. P. 916–921.
5. Alonso-Floriano F.J., Snellen I.A., Czesla S., Bauer F.F., Salz M., Lampón M., Lara L.M., Nagel E., López-Puertas M., Nortmann L., Sánchez-López A., Sanz-Forcada J., Caballero J.A., Reiners A., Ribas I., Quirrenbach A., Amado P.J., Aceituno J., Anglada-Escudé G., Béjar V.J.S., Brinkmöller M., Hatzes A.P., Henning Th., Kaminski A., Kürster M., Labarga F., Montes D., Pallé E., Schmitt J.H.M.M., Zapatero Osorio M.R. He I l 10830 Å in the transmission spectrum of HD209458 b // Astron. Astrophys. 2019. V. 629. P. 110–117.
6. Spake J.J., Sing D.K., Evans T.M., Oklopčić A., Bourrier V., Kreidberg L., Rackham B.V., Irwin J., Ehrenreich D., Wyttenbach A., Wakeford H.R., Zhou Y., Chubb K.L., Nikolov N., Goyal J., Henry G.W., Williamson M.H., Blumenthall S., Anderson D., Hellier C., Charbonneau D., Udry S., Madhusudhan N. Helium in the eroding atmosphere of an exoplanet // Nature. 2018. V. 557. P. 68–70.
7. Salz M., Czesla S., Schneider P.C., Nagel E., Schmitt J.H.M.M., Nortmann L., Alonso-Floriano F.J., López-Puertas M., Lampón M., Bauer F.F., Snellen I.A.G., Pallé E., Caballero J.A., Yan F., Chen G., Sanz-Forcada J., Amado P.J.,  Quirrenbach A., Ribas I., Reiners A., Béjar V.J.S., Casasayas-Barris N., Cortés-Contreras M., Dreizler S., Guenther E.W., Henning T., Jeffers S.V., Kaminski A., Kürster M., Lafarga M., Lara L.M., Molaverdikhani K., Montes D., Morales J.C., Sánchez-López A., Seifert W., Zapatero Osorio M.R., Zechmeister M. Detection of He I l 10830 Å absorption on HD189733b with CARMENES high-resolution transmission spectroscopy // Astron. Astrophys. 2018. V. 620. P. 97–100.
8. Guilluy G., Andretta V., Borsa F., Sozzetti A., Covino E., Bourrier V., Fossati L., Bonomo A.S., Esposito M., Giampapa M.S., Harutyunyan A., Rainer M., Brogi M., Bruno G., Claudi R., Frustagli G., Lanza A.F., Mancini L., Pino L., Poretti E., Scandariato G., Affer L., Baffa C., Baruffolo A., Benatti S., Biazzo K., Bignamini A., Boschin W., Carleo I., Cecconi M., Cosentino R., Damasso M., Desidera M., Falcini G., Martinez Fiorenzano A.F., Ghedina A., González-Álvarez E., Guerra J., Hernandez N., Leto G., Maggio A., Malavolta L., Maldonado J., Micela G., Molinari E., Nascimbeni V., Pagano I., Pedani M., Piotto G., Reiners A. The GAPS programme at TNG-XXII. The GIARPS view of the extended helium atmosphere of HD 189733 b accounting for stellar activity // Astron. Astrophys. 2020. V. 639. P. 49–64.
9. Ninan J.P., Stefansson G., Mahadevan S., Bender C., Robertson P., Ramsey L., Terrien R., Wright J., Diddams S.A., Kanodia Sh., Cochran W., Endl M., Ford E.B., Fredrick C., Halverson S., Hearty F., Jennings J., Kaplan K., Lubar E., Metcalf A.J., Monson A., Nitroy C., Roy A., Schwab C. Evidence for He I 10830 Å absorption during the transit of a warm neptune around the M-dwarf GJ 3470 with the habitable-zone planet finder // Astrophys. J. 2020. V. 894. P. 97–106.
10. Nortmann L., Pallé E., Salz M., Sanz-Forcada J., Nagel E., Alonso-Floriano F.J., Czesla S., Yan F., Chen G., Snellen I.A.G., Zechmeister M., Schmitt J.H.M.M., López-Puertas M., Casasayas-Barris N., Bauer F.F., Amado P.J., Caballero J.A., Dreizler S., Henning T., Lampón M., Montes D., Molaverdikhani K., Quirrenbach A., Reiners A., Ribas I., Sánchez-López A., Christian Schneider P., Zapatero Osorio M.R. Ground-based detection of an extended helium atmosphere in the Saturn-mass exoplanet WASP-69b // Science. 2018. V. 362. P. 1388.
11. Oklopčić A., Hirata C.M. A new window into escaping exoplanet atmospheres: 10830 Å line of helium // Astrophys. J. L. 2018. V. 855. P. 11–18.
12. Oklopčić A. Helium absorption at 1083 nm from extended exoplanet atmospheres: Dependence on stellar radiation // Astrophys. J. 2019. V. 881. P. 133–141.
13. Wang L., Dai F. Metastable helium absorptions with 3D hydrodynamics and self-consistent photochemistry. II. WASP-107b, stellar wind, radiation pressure, and shear instability // Astrophys. J. 2021. V. 914. P. 99–113.
14. Rumenskikh M.S., Khodachenko M.L., Shaikhislamov I.F., Miroshnichenko I.B., Berezutsky A.G., Shepelin A.V., Dwivedi N.K. Mysterious non-detection of HeI(2³S) transit absorption of GJ436b // Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 2023. V. 526, N 3. P. 4120–4129.
15. Shaikhislamov I.F., Khodachenko M.L., Lammer H., Berezutsky A.G., Miroshnichenko I.B., Rumenskikh M.S. Global 3D hydrodynamic modelling of absorption in Ly a and He 10830 Å lines at transits of GJ3470b // Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 2021. V. 500. P. 1404–1413.
16. Shaikhislamov I.F., Khodachenko M.L., Lammer H., Kislyakova K.G., Fossati L., Johnstone C.P., Prokopov P.A., Berezutsky A.G., Zakharov Yu.P., Posukh V.G. Two regimes of interaction of a hot Jupiter’s escaping atmosphere with the stellar wind and generation of energized atomic hydrogen corona // Astrophys. J. 2016. V. 832. P. 173–193.
17. Shaikhislamov I.F., Khodachenko M.L., Lammer H., Fossati L., Dwivedi N., Güdel M., Kislyakova K.G., Johnstone C.P., Berezutsky A.G., Miroshnichenko I.B., Posukh V.G., Erkaev N.V., Ivanov V.A. Modeling of Absorption by Heavy Minor Species for the Hot Jupiter HD 209458b // Astrophys. J. 2018. V. 866. P. 47–60.
18. Khodachenko M.L., Shaikhislamov I.F., Lammer H., Kislyakova K.G., Fossati L., Johnstone C.P., Posukh V.G. Lya absorption at transits of HD209458b: A comparative study of various mechanisms under different conditions // Astrophys. J. 2017. V. 847, N 2. P. 126–139.
19. Shaikhislamov I.F., Khodachenko M.L., Lammer H., Berezutsky A.G., Miroshnichenko I.B., Rumenskikh M.S. 3D Aeronomy modelling of close-in exoplanets // Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 2018. V. 481, N 4. P. 5315–5323.
20. Khodachenko M.L., Shaikhislamov I.F., Lammer H., Berezutsky A.G., Miroshnichenko I.B., Rumenskikh M.S., Kislyakova K.G., Dwivedi N.K. Global 3D hydrodynamic modeling of in-transit Ly a absorption of GJ 436b // Astrophys. J. 2019. V. 885. P. 67–87.
21. France K., Loyd R.P., Youngblood A., Brown A., Schneider P.Ch., Hawley S.L., Froning C.S., Linsky J.L., Roberge A., Buccino A.P., Davenport J.R.A., Fontenla J.M., Kaltenegger L., Kowalski A.F., Mauas P.J.D., Miguel Ya., Redfield S., Rugheimer S., Tian F., Walkowicz L.M., Weisenburger K.L. The MUSCLES treasury survey. I. Motivation and overview // Astrophys. J. 2016. V. 820. P. 89–113.
22. Fossati L., Pillitteri I., Shaikhislamov I.F., Bonfanti A., Borsa F., Carleo I., Guilluy G., Rumenskikhet M.S. Detection of He I l 10830 Å absorption on HD189733b with CARMENES high-resolution transmission spectroscopy // Astron. Astrophys. 2018. V. 620. P. 97–100.
23. Fossati L., Koskinen T., Lothringer J.D., France K., Young M.E., Sreejith A.G. Extreme-ultraviolet Radiation from A-stars: Implications for Ultra-hot Jupiters // Astrophys. J. L. 2018. V. 868. P. 30–35.