Hybrid simulations of the stellar wind interaction with close-in extrasolar planets

Johansson, Erik P. G.

A large fraction of exoplanets orbit their host stars on distances much smaller than any planet in the Solar System. This opens up for the possibility of qualitatively new kinds of stellar wind interaction. The understanding of these interactions may be important both for future detection methods and for mass loss estimates. In this work we investigate such close-in stellar wind interaction using primarily hybrid simulations. These describe plasmas by modeling electrons as a fluid and ions as particles. Two scenarios of stellar wind interaction with unmagnetized, Earth-sized, close-in exoplanets in orbit around a Sun-like star are investigated: 1.) interaction with an extremely hydrodynamically expanding atmosphere, and 2.) quasiparallel stellar wind interaction. In the expanding ionosphere study we can see how the bow shock, magnetic draping and ion composition boundary are pushed upstream, increasing the size of the interaction region. In the process it creates a significant wake behind the planet, largely void of electromagnetic fields and dominated only by the expanding ionosphere. An attempt is also made to analytically estimate the standoff distance and compare these estimates with simulations. In the quasiparallel interaction study we observe how generic features of quasiperpendicular interaction are modified. The dayside bow shock surface is replaced by a vaguely defined parallel shock that destroys the strict division between magnetosheath and stellar wind. The stellar wind also penetrates deeper into the ionosphere.

Ein großer Anteil der Exoplaneten umkreist ihre Sterne in viel kleineren Entfernungen als die Planeten in unserem Sonnensystem. Dies eröffnet die Möglichkeit von qualitativ neuen Arten von Sternwindwechselwirkungen. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen kann sowohl für zukünftige Nachweismethoden als auch für die Massenverlustschätzungen wichtig sein. In dieser Arbeit untersuchen wir diese close-in Sternwindwechselwirkungen mit Hybridsimulationen. Diese beschreiben Plasmen durch die Modellierung von Elektronen als Flüssigkeit und Ionen als Teilchen. Zwei Szenarien der Sternwindwechselwirkung mit unmagnetisierten, erdgroßen, close-in Exoplaneten im Orbit um einen sonnenähnlichen Stern werden untersucht: 1.) Wechselwirkung mit einer extrem hydrodynamisch expandierenden Atmosphäre, und 2.) Quasi-parallele Sternwindwechselwirkung. In der Studie der expandierenden Ionosphäre können wir sehen, wie die Bugstoßwelle, magnetische Drapierung und Grenze der Ionenzusammensetzung entgegen der Flussrichtung geschoben werden, was die Wechselwirkungsregion vergrößert. In dem Prozess entsteht ein deutlicher Wake hinter dem Planeten, der größtenteils frei von elektromagnetischen Feldern ist und nur von der Ionosphäre dominiert wird. Es wird außerdem versucht, auf analytische Weise den Abstand zur Ionopause zu bestimmen und diese Schätzungen mit Simulationen zu vergleichen. In der Studie der quasi-parallelen Wechselwirkung beobachten wir, wie generische Eigenschaften der quasi-senkrechten Wechselwirkung verändert werden. Die tagseitige Bugstoßwelle wird durch einen undeutlich definierten parallelen Schock, der die strikte Trennung zwischen Magnetoschicht und Sternwind zerstört, ersetzt. Der Sternwind dringt auch tiefer in die Ionosphäre ein.

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Johansson, Erik P. G.: Hybrid simulations of the stellar wind interaction with close-in extrasolar planets. 2010.

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