行星风与恒星风的碰撞：中性氢的电荷交换与凌星光谱学

凌星时，热木星会吸收宿主恒星 Lyman-alpha 发射线翼约 10% 的光。吸收发生在从线心 Doppler 频移 +/- 100 km/s 的波长处——这大于部分电离的 10E4 K 氢从热木星大气逃逸的热速度。有观点提出，该吸收源于宿星恒星风的 10E6 K 氢，其通过与行星 H I 的电荷交换而瞬间变为中性。+/-100 km/s 的速度可归因于恒星风中质子的典型速度色散——正如航天器对太阳风的测量所推断的那样。为检验这一假说，我们对碰撞的热木星风与恒星风进行了 2D 流体动力学模拟，并结合化学模块计算了由电荷交换产生的热中性氢的量。Kelvin-Helmholtz 不稳定性使两种风混合；在混合层中，电荷交换反应在数十秒内建立。生成的热中性氢足以再现凌星观测结果，且吸收量随空间分辨率和时间收敛。我们的计算支持碰撞风之间的电荷转移能正确解释 Lyman-alpha 凌星观测这一观点——尽管未考虑磁场效应，但其可能抑制混合。其他被忽略的效应按重要性递减依次为：与轨道运动相关的旋转力、重力以及恒星辐射压；我们定量讨论了这些近似引入的误差。本文还考虑了热恒星氢与冷行星氢碰撞时的冷却过程；对混合层热平衡更细致的处理或许能解释近期在凌星热木星中对 Balmer H-alpha 吸收的探测。