Abstract—
The studies of close-orbit gaseous exoplanets—hot Jupiters and warm Neptunes—are reviewed. Transit spectral observations of the Hubble Space Telescope stimulated the numerical modeling of these objects. The supersonic outflow of the upper atmosphere of hot exoplanets and its interaction with the stellar plasma flow is a newly-discovered phenomenon in plasma physics and astrophysics that pools photo- and plasma-chemistry, collision-induced gas-dynamics, and collisionless space plasma. Starting from 2003, the modeling of physical processes in this field has considerably developed from simple quasi-empiric analytical formulas to global three-dimensional magnetic hydrodynamic (3D MHD) codes. The attained level makes it possible to interpret the in-transit measurements in absorption lines of different elements and estimate the parameters of both the planetary atmospheres and the stellar plasma wind.
Similar content being viewed by others
REFERENCES
N. Madhusudhan, M. Agúndez, J. I. Moses, and Y. Hu, Space Sci. Rev. 205, 1 (2016).
J. K. Barstow, S. Aigrain, P. G. Irwin, and D. K. Sing, Astrophys. J. 834, 1 (2016).
M. Brogi and M. R. Line, Astron. J. 157, 3 (2019).
D. Shulyak, M. Rengel, A. Reiners, U. Seemann, and F. Yan, Astron. Astrophys. 629, A109 (2019).
A. Vidal-Madjar, A. L. Des Etangs, J. M. Désert, G. E. Ballester, R. Ferlet, G. Hébrard, and M. Mayor, Nature (London, U.K.) 422, 6928 (2003).
L. Ben-Jaffel, Astrophys. J. Lett. 671, 1 (2007).
L. Ben-Jaffel, Astrophys. J. 688, 2 (2008).
A. Vidal-Madjar, A. L. Des Etangs, J. M. Désert, G. E. Ballester, R. Ferlet, G. Hébrard, and M. Mayor, Astrophys. J. Lett. 676, 1 (2008).
D. Ehrenreich, A. L. Des Etangs, G. J. M. Hébrard, Désert, A. Vidal-Madjar, J. C. Mcconnell, and R. Ferlet, Astron. Astrophys. 483, 3 (2008).
A. L. Des Etangs, D. Ehrenreich, A. Vidal-Madjar, G. E. Ballester, J. M. Désert, R. Ferlet, G. Hébrard, D. K. Sing, K.-O. Tchakoumegni, and S. Udry, Astron. Astrophys. 514, A72 (2010).
V. Bourrier and A. L. des Etangs, Astron. Astrophys. 557, A124 (2013).
D. Ehrenreich, V. Bourrier, X. Bonfils, A. L. des Etangs, et al., Astron. Astrophys. 547, A18 (2012).
J. R. Kulow, K. France, J. Linsky, and R. P. Loyd, Astrophys. J. 786, 2 (2014).
V. Bourrier, D. Ehrenreich, and A. L. des Etangs, Astron. Astrophys. 582, A65 (2015).
V. Bourrier, A. L. des Etangs, D. Ehrenreich, Y. A. Ta-naka, and A. A. Vidotto, Astron. Astrophys. 591, A121 (2016).
B. Lavie, D. Ehrenreich, V. Bourrier, A. L. des Etangs, et al., Astron. Astrophys. 605, L7 (2017).
V. Bourrier, A. L. des Etangs, D. Ehrenreich, J. Sanz-Forcada, et al., Astron. Astrophys. 620, A147 (2018).
A. Vidal-Madjar, J.-M. Désert, A. L. des Etangs, G. Hébrard, et al., Astrophys. J. Lett. 604, 1 (2004).
L. Ben-Jaffel and S. S. Hosseini, Astrophys. J. 709, 2 (2010).
D. Christie, P. Arras, and Z. Y. Li, Astrophys. J. 772, 2 (2013).
D. Christie, P. Arras, and Z. Y. Li, Astrophys. J. 820, 1 (2016).
A. G. Jensen, S. Redfield, M. Endl, W. D. Cochran, L. Koesterke, and T. Barman, Astrophys. J. 751, 2 (2012).
P. W. Cauley, S. Redfield, A. G. Jensen, and T. Barman, Astron. J. 152, 1 (2016).
A. García Muñoz and P. C. Schneider, Astrophys. J. 884, L43 (2019).
N. Casasayas-Barris, E. Palle, F. Yan, G. Chen, et al., Astron. Astrophys. 628, A9 (2019).
A. Oklopčić and C. M. Hirata, Astrophys. J. Lett. 855, 1 (2018).
R. Allart, V. Bourrier, C. Lovis, D. Ehrenreich, et al., Science (Washington, DC, U. S.) 362, 6421 (2018).
J. J. Spake, D. K. Sing, T. M. Evans, A. Oklopčić, et al., Nature (London, U.K.) 557, 7703 (2018).
M. Lampón, M. López-Puertas, L. M. Lara, A. Sánchez-López, et al., Astron. Astrophys. 636, A13 (2020).
J. P. Ninan, G. Stefansson, S. Mahadevan, C. Bender, et al., Astrophys. J. 894, 2 (2020).
E. Palle, L. Nortmann, N. Casasayas-Barris, M. Lampón, et al., Astron. Astrophys. 638, A61 (2020).
H. Lammer, A. Stökl, N. V. Erkaev, E. A. Dorfi, et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 439, 4 (2014).
F. Tian, O. B. Toon, A. A. Pavlov, and H. de Sterck, Science (Washington, DC, U. S.) 308, 5724 (2005a).
A. L. des Etangs, Astron. Astrophys. 461, 3 (2007).
M. Leitzinger, P. Odert, Yu. N. Kulikov, H. Lammer, et al., Planet. Space Sci. 59, 13 (2011).
J. E. Owen and A. P. Jackson, Mon. Not. R. Astron. Soc. 425, 4 (2012).
N. V. Erkaev, H. Lammer, P. Odert, Y. N. Kulikov, et al., Astrobiology 13, 11 (2013).
J. E. Owen and Y. Wu, Astrophys. J. 775, 2 (2013).
F. Tian and S. Ida, Nat. Geo Sci. 8, 3 (2015).
M. Holmström, A. Ekenbäck, F. Selsis, T. Penz, H. Lammer, and P. Wurz, Nature (London, U.K.) 451, 7181 (2008).
A. Ekenbäck, M. Holmström, P. Wurz, J. M. Grießmeier, H. Lammer, F. Selsis, and T. Penz, Astrophys. J. 709, 2 (2010).
H. Lammer, K. G. Kislyakova, M. Holmström, M. L. Khodachenko, and J. M. Grießmeier, Astrophys. Space Sci. 335, 1 (2011).
V. I. Shematovich, Solar Syst. Res. 46, 6 (2012).
E. J. Öpik and S. F. Singer, Phys. Fluids 4, 2 (1961).
J. W. Chamberlain, Planet. Space Sci. 11, 8 (1963).
N. Terada, Y. N. Kulikov, H. Lammer, H. I. Lichtenegger, T. Tanaka, H. Shinagawa, and T. Zhang, Astrobiology 9, 1 (2009).
H. I. M. Lichtenegger, H. Lammer, J.-M. Grießmeier, Yu. N. Kulikov, P. von Paris, W. Hausleitner, S. Krauss, and H. Rauer, Icarus 210, 1 (2010).
M. L. Khodachenko, I. Ribas, H. Lammer, J.-M. Grießmeier, et al., Astrobiology 7, 1 (2007a).
M. L. Khodachenko, H. Lammer, H. I. M. Lichtenegger, D. Langmayr, et al., Planet. Space Sci. 55, 5 (2007b).
K. G. Kislyakova, H. Lammer, M. Holmström, M. Panchenko, et al., Astrobiology 13, 11 (2013).
E. N. Parker, Astrophys. J. Suppl. Ser. 8, 177 (1963).
A. N. Volkov, R. E. Johnson, O. J. Tucker, and J. T. Erwin, Astrophys. J. Lett. 729, 2 (2011).
E. N. Parker, Astrophys. J. 139, 690 (1964).
R. Keppens and J. P. Goedbloed, Astron. Astrophys. 343, 251 (1999).
S. T. Suess, A. K. Richter, C. R. Winge, and S. F. Nerney, Astrophys. J. 217, 296 (1977).
C. P. Johnstone, M. Güdel, T. Lüftinger, G. Toth, and I. Brott, Astron. Astrophys. 577, A27 (2015).
A. J. Watson, T. M. Donahue, and J. C. Walker, Icarus 48, 150 (1981).
H. Lammer, F. Selsis, I. Ribas, E. F. Guinan, S. J. Bauer, and W. W. Weiss, Astrophys. J. Lett. 598, 2 (2003).
N. V. Erkaev, Y. N. Kulikov, H. Lammer, F. Selsis, D. Langmayr, G. F. Jaritz, and H. K. Biernat, Astron. Astrophys. 472, 1 (2007).
H. Lammer, P. Odert, M. Leitzinger, M. L. Khodachenko, et al., Astron. Astrophys. 506, 1 (2009).
C. Cecchi-Pestellini, A. Ciaravella, G. Micela, and T. Penz, Astron. Astrophys. 496, 3 (2009).
V. I. Shematovich, D. E. Ionov, and H. Lammer, Astron. Astrophys. 571, A94 (2014).
E. Chassefière, Icarus 124, 2 (1996).
R. A. Murray-Clay, E. I. Chiang, and N. Murray, Astrophys. J. 693, 1 (2009).
R. V. Yelle, Icarus 170, 1 (2004).
F. Tian, O. B. Toon, A. A. Pavlov, and H. de Sterck, Astrophys. J. 621, 2 (2005).
F. Tian, J. F. Kasting, H. L. Liu, and R. G. Roble, J. Geophys Res.: Planets 113, E5 (2008).
T. Penz, N. V. Erkaev, Yu. N. Kulikov, D. Langmayr, et al., Planet. Space Sci. 56, 9 (2008).
A. G. Muñoz, Planet. Space Sci. 55, 10 (2007).
T. T. Koskinen, A. D. Aylward, and S. Miller, Nature (London, U.K.) 450, 7171 (2007).
T. T. Koskinen, R. V. Yelle, P. Lavvas, and N. K. Lewis, Astrophys. J. 723, 1 (2010).
T. T. Koskinen, M. J. Harris, R. V. Yelle, and P. Lavvas, Icarus 226, 2 (2013).
J. H. Guo, Astrophys. J. 733, 2 (2011).
I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, Yu. L. Sasunov, H. Lammer, K. G. Kislyakova, and N. V. Erkaev, Astrophys. J. 795, 2 (2014).
M. Salz, S. Czesla, P. C. Schneider, and J. H. M. M. Schmitt, Astron. Astrophys. 586, A75 (2016).
D. Kubyshkina, L. Fossati, N. V. Erkaev, P. E. Cubillos, C. P. Johnstone, K. G. Kislyakova, H. Lammer, M. Lendl, and P. Odert, Astrophys. J. Lett. 866, 2 (2018).
M. L. Khodachenko, I. I. Alexeev, E. S. Belenkaya, and H. Lammer, EAS Publ. Ser. 58 (2012).
P. Wurz and H. Lammer, Icarus 164, 1 (2003).
V. I. Shematovich, Solar Syst. Res. 38, 1 (2004).
E. Kallio, J. Y. Chaufray, R. Modolo, D. Snowden, and R. Winglee, Space Sci. Rev. 162, 267 (2011).
A. L. Des Etangs, A. Vidal-Madjar, and J. M. Desert, Nature (London, U.K.) 456, 7219 (2008).
D. Ehrenreich, V. Bourrier, P. J. Wheatley, A. L. des Etangs, et al., Nature (London, U.K.) 522, 7557 (2015).
K. G. Kislyakova, M. Holmström, H. Lammer, P. Odert, and M. L. Khodachenko, Science (Washington, DC, U. S.) 346, 6212 (2014).
K. G. Kislyakova, M. Holmström, P. Odert, H. Lammer, N. V. Erkaev, M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, E. Dorfi, and M. Güdel, Astron. Astrophys. 623, A131 (2019).
A. L. des Etangs, V. Bourrier, P. J. Wheatley, H. Dupuy, et al., Astron. Astrophys. 543, L4 (2012).
G. B. Trammell, P. Arras, and Z. Y. Li, Astrophys. J. 728, 2 (2011).
D. E. Ionov, V. I. Shematovich, and Ya. N. Pavlyuchenkov, Astron. Rep. 61, 387 (2017).
D. E. Ionov, Y. N. Pavlyuchenkov, and V. I. Shematovich, Mon. Not. R. Astron. Soc. 476, 5639 (2018).
D. V. Bisikalo, A. A. Cherenkov, V. I. Shematovich, L. Fossati, and C. Möstl, Astron. Rep. 62, 648 (2018).
D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, A. A. Cherenkov, L. Fossati, and C. Möstl, Astrophys. J. 869, 2 (2018).
S. Miller, T. Stallard, H. Melin, and J. Tennyson, Faraday Discuss. 147, 283 (2010).
T. T. Koskinen, A. D. Aylward, C. G. A. Smith, and S. Miller, Astrophys. J. 661, 1 (2007).
I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, A. G. Berezutsky, I. B. Miroshnichenko, and M. S. Rumenskikh, Mon. Not. R. Astron. Soc. 481, 4 (2018).
T. Grassi, S. Bovino, D. R. G. Schleicher, J. Prieto, D. Seifried, E. Simoncini, and F. A. Gianturco, Mon. Not. R. Astron. Soc. 439, 3 (2014).
C. P. Johnstone, M. Güdel, H. Lammer, and K. G. Kislyakova, Astron. Astrophys. 617, A107 (2018).
G. J. Ferland, K. T. Korista, D. A. Verner, J. W. Ferguson, J. B. Kingdon, and E. M. Verner, Publ. Astron. Soc. Pacif. 110, 749 (1998).
M. Salz, R. Banerjee, A. Mignone, P. C. Schneider, S. Czesla, and J. H. M. M. Schmitt, Astron. Astrophys. 576, A21 (2015).
J. D. Turner, E. J. W. de Mooij, R. Jayawardhana, M. E. Young, L. Fossati, T. Koskinen, J. D. Lothringer, R. Karjalainen, and M. Karjalainen, Astrophys. J. Lett. 888, 1 (2020).
V. I. Shematovich, Solar Syst. Res. 44, 96 (2010).
V. I. Shematovich, D. E. Ionov, and H. Lammer, Astron. Astrophys. 571, A94 (2014).
V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and D. E. Ionov, Astrophys. Space Sci. Lib. 411, 105 (2015).
R. E. Johnson, M. R. Combi, J. L. Fox, W.-H. Ip, F. Leblanc, M. A. McGrath, V. I. Shematovich, D. F. Strobel, and J. H. Waite, Jr., Space Sci. Rev. 139, 1 (2008).
D. V. Bisikalo and V. I. Shematovich, Astron. Rep. 59, 9 (2015).
T. T. Koskinen, R. V. Yelle, M. J. Harris, and P. Lavvas, Icarus 226, 2 (2013).
A. A.Vidotto, M. Jardine, and C. Helling, Astrophys. J. Lett. 722, 2 (2010).
J. M. Stone and D. Proga, Astrophys. J. 694, 1 (2009).
J. H. Guo, Astrophys. J. 766, 2 (2013).
P. Tremblin and E. Chiang, Mon. Not. R. Astron. Soc. 428, 3 (2013).
I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, K. G. Kislyakova, et al., Astrophys. J. 832, 2 (2016).
I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, L. Fossati, et al., Astrophys. J. 866, 1 (2018).
M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, K. G. Kislyakova, et al., Astrophys. J. 847, 2 (2017).
D. V. Bisikalo, P. V. Kaygorodov, D. E. Ionov, V. I. Shematovich, H. Lammer, and L. Fossati, Astrophys. J. 764, 19 (2013).
D. V. Bisikalo, P. V. Kaigorodov, D. E. Ionov, and V. I. Shematovich, Astron. Rep. 57, 715(2013).
A. A. Cherenkov, D. V. Bisikalo, and P. V. Kaigorodov, Astron. Rep. 58, 10 (2014).
A. A. Cherenkov, D. V. Bisikalo, L. Fossati, and C. Möstl, Astrophys. J. 846, 1 (2017).
A. A. Cherenkov, I. F. Shaikhislamov, D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, L. Fossati, and C. Möstl, Astron. Rep. 63, 2 (2019).
A. A. Cherenkov, D. V. Bisikalo, and A. G. Kosovichev, Mon. Not. R. Astron. Soc. 475, 1 (2018).
M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, A. G. Berezutsky, I. B. Miroshnichenko, M. S. Rumenskikh, K. G. Kislyakova and N. K. Dwivedi, Astrophys. J. 885, 1 (2019).
A. Debrecht, J. Carroll-Nellenback, A. Frank, E. G. Blackman, L. Fossati, J. McCann, and R. Murray-Clay, Mon. Not. R. Astron. Soc. 493, 1 (2020).
A. Tripathi, K. M. Kratter, R. A. Murray-Clay, and M. R. Krumholz, Astrophys. J. 808, 2 (2015).
H. Lammer, H. I. M. Lichtenegger, Yu. N. Kulikov, J.-M. Grießmeier, et al., Astrobiology 7, 1 (2007).
L. Mestel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 138, 3 (1968).
I. I. Alexeev, E. S. Belenkaya, S. Y. Bobrovnikov, and V. V. Kalegaev, Space Sci. Rev. 107, 7 (2003).
I. I. Alexeev, E. S. Belenkaya, J. A. Slavin, H. Korth, B. J. Anderson, D. N. Baker, S. A. Boardsen, C. L. Johnson, M. E. Purucker, M. Sarantos, and S. C. Solomon, Icarus 209, 1 (2010).
E. S. Belenkaya, S. Y. Bobrovnikov, I. I. Alexeev, V. V. Kalegaev, and S. W. H. Cowley, Planet. Space Sci. 53, 9 (2005).
G. B. Trammell, Z. Y. Li, and P. Arras, Astrophys. J. 788, 2 (2014).
J. E. Owen and F. C. Adams, Mon. Not. R. Astron. Soc. 444, 4 (2014).
M. L. Khodachenko, I. F. Shaikhislamov, H. Lammer, and P. A. Prokopov, Astrophys. J. 813, 1 (2015).
P. Zarka, Planet. Space Sci. 55, 5 (2007).
J. M. Grießmeier, P. Zarka, and H. Spreeuw, Astron. Astrophys. 475, 1 (2007).
C. Weber, H. Lammer, I. F. Shaikhislamov, J. M. Chadney, et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 469, 3 (2017).
A. Mignone, G. Bodo, S. Massaglia, T. Matsakos, O. Tesileanu, C. Zanni, and A. Ferrari, Astrophys. J. Suppl. Ser. 170, 1 (2007).
T. Matsakos, A. Uribe, and A. Königl, Astron. Astrophys. 578, A6 (2015).
S. Daley-Yates and I. R. Stevens, Mon. Not. R. Astron. Soc. 483, 2 (2019).
A. A. Vidotto and J. F. Donati, Astron. Astrophys. 602, A39 (2017).
G. Tótha, B. der Holst, I. V. Sokolov, D. L. de Zeeuw, et al., J. Comput. Phys. 231, 3 (2012).
N. V. Erkaev, P. Odert, H. Lammer, K. G. Kislyakova, et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 470, 4 (2017).
A. S. Arakcheev, A. G. Zhilkin, P. V. Kaigorodov, D. V. Bisikalo, and A. G. Kosovichev, Astron. Rep. 61, 932 (2017).
A. G. Zhilkin and D. V. Bisikalo, INASR 3, (2019).
A. G. Zhilkin and D. V. Bisikalo, Astron. Rep. 63, 7 (2019).
A. G. Zhilkin, D. V. Bisikalo, and P. V. Kaygorodov, Astron. Rep. 64, 3 (2020).
J. L. Linsky, H. Yang, K. France, C. S. Froning, J. C. Green, J. T. Stocke, and S. N. Osterman, Astrophys. J. 717, 2 (2010).
A. Etangs, A. Vidal-Madjar, J. C. McConnell, and G. Hébrard, Astron. Astrophys. 418, L1 (2004).
N. V. Erkaev, T. Penz, H. Lammer, H. I. M. Lichtenegger, H. K. Biernat, P. Wurz, J.-M. Grießmeier, and W. W. Weiss, Astrophys. J. Suppl. Ser. 157, 2 (2005).
I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, A. G. Berezutsky, I. B. Miroshnichenko, and M. S. Rumenskikh, Mon. Not. R. Astron. Soc. 491, 3 (2020).
I. F. Shaikhislamov, M. L. Khodachenko, T. Al-Ubaidi, H. Lammer, A. G. Berezutsky, I. B. Miroshnichenko, and M. S. Rumenskikh, in Proceedings of the European Planetary Science Congress 2018 (2018), EPSC2018-151.
R. P. Loyd, T.T. Koskinen, K. France, C. Schneider, and S. Redfield, Astrophys. J. Lett. 834, 2 (2017).
P. W. Cauley, S. Redfield, and A. G. Jensen, Astron. J. 153, 2 (2017).
L. A. dos Santos, D. Ehrenreich, V. Bourrier, A. Lecavelier des Etangs, et al., Astron. Astrophys. 629, A47 (2019).
C. Weber, N. V. Erkaev, V. A. Ivanov, P. Odert, J.‑M. Grießmeier, L. Fossati, H. Lammer, and H. O. Rucker, Mon. Not. R. Astron. Soc. 480, 3 (2018).
K. Heng and A. P. Showman, Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 43, 509 (2015).
T. D. Komacek and A. P. Showman, Astrophys. J. 821, 1 (2016).
C. A. Haswell, D. Staab, J. R. Barnes, G. Anglada-Escudé, L. Fossati, J. S. Jenkins, A. J. Norton, J. P. J. Doherty, and J. Cooper, Nat. Astron. 4, 427 (2020).
A. Debrecht, J. Carroll-Nellenback, A. Frank, L. Fossati, E. G. Blackman, and I. Dobbs-Dixon, Mon. Not. R. Astron. Soc. 478, 2 (2018).
A. Santerne, L. Malavolta, M. R. Kosiarek, F. Dai, et al., arXiv:1911.07355(2019).
D. V. Bisikalo, P. V. Kaygorodov, and V. I. Shematovich, Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science (Oxford Univ. Press, 2019).
Funding
The review was prepared under the support of the Russian Foundation for Basic Research (project no. 19-12-50043). The authors’ studies, which yielded the results reported here, were supported by the Russian Scientific Foundation (project no. 18-12-00080) and the Russian Foundation for Basic Research (project nos. 20-02-00520-а, 16-52-14006-anf).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Translated by E. Petrova
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Shaikhislamov, I.F., Khodachenko, M.L. & Berezutskiy, A.G. The Atmospheric Wind of Hot Exoplanets and its Manifestations in Observations: from Energy Estimates to 3D MHD Models. Astron. Rep. 65, 8–25 (2021). https://doi.org/10.1134/S1063772921010054
Received:
Revised:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1134/S1063772921010054