Characterisation of exoplanetary upper atmospheres undergoing hydrodynamic atmospheric escape

Abstract

Among the most important results we find that the upper atmosphere of HD189733 b is compact and hot, with a maximum temperature of 12 400+400 −300 K, with a very low mean molecular mass (H/He=(99.2/0.8)±0.1), with small gas radial velocities, which is almost fully ionised above 1.1RP, and with a mass-loss rate of 1.07+0.08 −0.09 ×1011 g s−1. In contrast, the upper atmosphere of GJ 3470 b is highly extended and relatively cold, with a maximum temperature of 5100±900 K, also with a very low mean molecular mass (H/He=(98.5/1.5)+1.0 −1.5), with large radial outflow velocities, which is not strongly ionised and with a mass-loss rate of (1.87±1.13)×1011 g s−1. HD209458 b seems an intermediate case between HD189733 b and GJ 3470 b, as its upper atmosphere is extended, although not as GJ 3470 b, with an intermediate temperature of 7625±500 K, a mean molecular weight of 98/2, with intermediate gas radial velocities, and a mass-loss rate of (0.71±0.29)×1011 g s−1. Attending to the derived H density profiles we find that while the recombination is the process governing the whole upper atmosphere of HD189733 b, advection dominates in GJ 3470 b, and both processes are not negligible in HD209458 b. In addition to constrain the main atmospheric parameters of these exoplanets we confirm that GJ 3470 b undergoes hydrodynamic escape, and provide the first observational derivation of the H/He ratio of an exoplanet. Moreover, our results suggest that the upper atmospheres of giant planets undergoing hydrodynamic escape tend to have very low mean molecular mass (H/He&97/3). Furthermore, we report observational evidence of the hydrodynamic escape regimes in H/He atmospheres. In particular, we demonstrate that HD209458 b is in the energy-limited regime, HD189733 b is in the recombination-limited regime and GJ 3470 b is in the photonlimited regime. Accordingly, we propose these exoplanets as benchmark cases for their respective regimes. We conclude that this work significantly improves the atmospheric characterisation of this sample of exoplanets and enhances our knowledge of the hydrodynamic escape mechanism.

Entre los resultados más importantes que hemos obtenido, encontramos que la alta atmósfera de HD189733 b es caliente y compacta, con una temperatura máxima de 12 400+400 −300 K, una masa molecular media de (H/He=(99.2/0.8)±0.1), que se desplaza con una baja velocidad radial, que está altamente ionizada por encima de 1.1RP, y que sufre una tasa de pérdida de masa de 1.07+0.08 −0.09 ×1011 g s−1. Por el contrario, la alta atmósfera de GJ 3470 b está muy extendida y es relativamente fría, con una temperatura máxima de 5100±900 K, una masa molecular media de (H/He=(98.5/1.5)+1.0 −1.5), que se expande con una velocidad radial muy alta, que está moderadamente ionizada y que pierde masa a un ritmo de (1.87±1.13)×1011 g s−1. La alta atmósfera de HD209458 b parece un caso intermedio entre las de HD189733 b y GJ 3470 b, ya que está moderadamente extendida, tiene una temperatura máxima de 7625±500 K, una masa molecular media de 98/2, se desplaza con una velocidad radial moderada y sufre una tasa de pérdida de masa de (0.71±0.29)×1011 g s−1. Atendiendo a los perfiles de densidad del H, encontramos que mientras la recombinación es el proceso que gobierna toda la atmósfera de HD189733 b, la advección domina completamente la de GJ 3470 b, no siendo ninguno de estos procesos despreciable en la alta atmósfera de HD209458 b. A parte de obtener buenas estimaciones de los principales parámetros atmosféricos de estos exoplanetas, hemos podido confirmar que GJ 3470 b sufre escape hidrodinámico. Además, hemos proporcionado la primera estimación observacional de la proporción de H/He en un exoplaneta. Las estimaciones de esta proporción en los tres exoplanetas, sugieren que la alta atmósfera de planetas gigantes que sufren escape hidrodinámico tienden a tener una masa molecular media muy baja (H/He&97/3). Por otro lado, presentamos pruebas observacionales de los diferentes regímenes hidrodinámicos en atmósferas ricas en hidrógeno (del tipo H/He). En concreto, demostramos que HD209458 b se encuentra en el régimen limitado por la energía, HD189733 b en el régimen limitado por la recombinación y GJ 3470 b en el limitado por el número de fotones. De acuerdo con estos resultados, proponemos estos exoplanetas como arquetipos para sus respectivos regímenes. Concluimos que este trabajo mejora significativamente la caracterización de la alta atmósfera de los exoplanetas que forman nuestra muestra, al igual que mejora nuestro conocimiento sobre el proceso de escape atmosférico hidrodinámico.