Escaping atmospheres of hot extrasolar gas planets

Abstract

Gas planets in close proximity to their host stars endure high levels of irradiation. Extreme ultraviolet radiation and X-rays are absorbed in the planets' upper atmospheres, the so-called thermospheres. The absorption of this radiation ionizes the atmospheric gas and causes substantial heating rates, leading to temperatures of up to 20000 K. Such high temperatures likely result in a continuous expansion of the planetary thermosphere, taking the form of a planetary wind. In the most extreme cases, the permanent mass loss resulting from such a wind might be large enough to completely evaporate smaller gas planets or the atmospheres of terrestrial planets over their lifetime.

The goal of my dissertation is to improve our understanding of the escaping thermospheres via a twofold approach: I simulated planetary atmospheres to study their behavior in detail and, furthermore, I initiated a comprehensive observational campaign to determine crucial system parameters and identify promising candidates for follow-up transit observations.

For the numerical approach, I designed a new interface between the MHD code PLUTO and the photoionization and microphysics solver CLOUDY, "the PLUTO-CLOUDY Interface" (TPCI). The use of an equilibrium microphysics solver is a new feature in dynamical simulations of the escaping atmospheres. I applied TPCI to study the atmospheres of transiting hot gas planets in the solar neighborhood. The simulations revealed substantial radiative cooling in the atmospheres of the most massive hot Jupiters. This cooling is strong enough to balance the enormous irradiation and, thus, leads to stable and compact thermospheres. These results support the existence of a transition in planetary atmospheres, from a regime of strong escape in smaller hot gas planets to stable atmospheres in massive planets. Based on the simulations, I derived a correction factor, which incorporates this new transition into the energy-limited escape model, which is a widely used concept to derive estimates for the mass-loss rates of strongly irradiated planets that was developed more than 30 years ago. The simulated atmospheres were also used to derive theoretical Lyman alpha absorption signals for the 18 systems studied here. Today, such absorption signals have been measured in four transiting systems and, for the first time, it was possible to reproduce the observed trend in the absorption depth in the four systems.

Furthermore, I have observed seven systems in the vicinity of the Sun with the X-ray telescopes XMM-Newton and Chandra. These observations revealed the high-energy irradiation level of the planetary thermospheres and, thus, the current planetary mass-loss rates. The measured irradiation levels are also used in my simulations of the planetary atmospheres. Additionally, I have observed three targets of the X-ray sample in snapshot observations with the Hubble Space Telescope to determine the host stars' Lyman alpha flux at Earth. Two of the three targets were detected and are bright enough to study the planetary atmospheres in future transit campaigns.

The presented work is the first comprehensive study of escaping atmospheres in hot gas planets in the solar neighborhood. Based on the observations and simulations, I have identified the system WASP-80 as the most promising candidate for transit spectroscopy in terms of the host stars' Lyman alpha flux and the planetary absorption signal. Based on my simulations, the revised energy-limited escape formula allows viable estimates of the mass-loss rates from small terrestrial planets up to the most massive hot Jupiters.

Gasplaneten, die sich in extremer Nähe zu ihrem Zentralstern befinden, sind hohen Bestrahlungsstärken ausgesetzt. Extrem ultraviolette Strahlung und Röntgenstrahlung werden in der oberen Atmosphäre von Planeten absorbiert, in der sogenannten Thermosphäre. Die Absorption dieser Strahlung ionisiert das atmosphärische Gas und führt zu erhebliche Heizraten, sodass Temperaturen von bis zu 20 000 K erreicht werden können. Solch hohe Temperaturen führen höchstwahrscheinlich zu einer kontinuierlichen Ausdehnung der planetaren Thermosphäre, die sich dann in der Form eines planetaren Windes zeigt. Im Extremfall kann dieser Wind einen so starken Massenverlust verursachen, dass kleinere Gasplaneten oder die Atmosphären von terrestrischen Planeten während deren Lebensdauer komplett verdampfen können.

Das Ziel meiner Dissertation ist ein besseres Verständnis der entweichenden Thermosphären mittels zweier Ansätze: Erstens habe ich die planetaren Atmosphären simuliert um deren Verhalten im Detail studieren zu können, und zweitens habe ich eine umfassende Beobachtungskampagne angestoßen, um wichtige Systemparameter zu bestimmen, und um die besten Kandidaten für zukünftige Transitbeobachtungen zu identifizieren.

Für den numerischen Ansatz habe ich ein neues Interface zwischen dem MHD-Programm PLUTO und dem Photoionisations- und Mikrophysik-Simulationsprogramm CLOUDY geschrieben, "the PLUTO-CLOUDY Interface" (TPCI). Die Anwendung eines Simulationsprogrammes, das den mikrophysikalischen Gleichgewichtszustand innerhalb der entweichenden Atmosphären bestimmt, ist ein komplett neuer Ansatz. Ich habe TPCI verwendet, um die Atmosphären von heißen Transitplaneten im nächsten Umfeld der Sonne zu studieren. Die Simulationen zeigen erhebliche Kühlung in den Atmosphären der schwersten heißen Jupiter durch Abstrahlung. Diese Kühlung ist stark genug um die enorme Einstrahlung auszugleichen, und führt daher zu stabilen und kompakten Thermosphären. Diese Ergebnisse belegen somit einen Übergang in den plantaren Atmosphären: Kleinere heiße Gasplaneten erfahren einen starken Atmosphärenverlust, während massivere Planeten eine stabile Atmosphäre beherbergen. Beruhend auf den Simulationen habe ich einen Korrekturfaktor bestimmt, der diesen neuen Übergang in das Model des energielimitierten Massenverlustes einbindet. Dieses vor mehr als 30 Jahren entwickelt Modell ist weitverbreitet zur Abschätzung des Massenverlustes von stark bestrahlten Planeten. Für die hier studierten 18 Systeme wurden außerdem theoretische Lyman alpha-Absorptionssignale anhand der simulierten Atmosphären berechnet. Bisher wurden solche Absorptionssignale bei vier Transitplaneten gemessen. Zum ersten Mal ist es mit meiner Methode gelungen, den beobachteten Trend in den gemessenen Absorptionstiefen der vier Systeme zu reproduzieren.

Ferner habe ich sieben Systeme in der Umgebung der Sonne mit den Röntgenteleskopen XMM-Newton und Chandra beobachtet. Anhand der Beobachtung konnten wir die hochenergetische Bestrahlungsstärke der planetaren Thermosphären und somit den momentanen Massenverlust bestimmen. Die gemessenen Bestrahlungsstärken wurden auch in meine Simulationen integriert. Zusätzlich habe ich in kurzen Beobachtungen mit dem Hubble Space Telescope die Lyman alpha-Flüsse von Dreien dieser Zentralsterne gemessen. Zwei der Zentralsterne wurden detektiert und sind hell genug um eine planetare Atmosphäre in einer zukünftigen Transitbeobachtung studieren zu können.

Die hier präsentierte Arbeit ist die erste umfassende Studie über verdampfende Atmosphären heißer Gasplaneten in der näheren Umgebung der Sonne. Sowohl in den Beobachtungen als auch in den Simulationen hat sich WASP-80 als vielversprechendster Kandidat für zukünftige Transitspektroskopie herausgestellt, einmal in Hinsicht auf den Lyman alpha-Fluss des Zentralsternes aber auch in Bezug auf das berechnete Absorptionssignal des Planeten. Basierend auf meinen Simulationen ermöglicht die verbesserte, energielimitierte Massenverlustformel brauchbare Abschätzungen der Massenverlustraten von kleinen terrestrischen Planeten bis hin zu den schwersten heißen Jupitern.