辐照驱动的原初行星大气逃逸 I. ATES 光致电离流体动力学代码

强烈的 X 射线和紫外恒星辐照可加热并膨胀密近轨道系外行星的大气，驱动质量外流，其在系统寿命期间可能显著到蒸发掉行星大气的相当大一部分。近期已知系外行星数量激增，加之用于系外行星发现与表征的新地基和天基设备即将部署，需要对用于密集光谱后续观测的最有前景目标进行迅速而高效的评估。为此，我们开发了 ATES（ATmospheric EScape，大气逃逸）；这是一个新流体动力学代码，专门设计用于计算高辐照行星大气的温度、密度、速度和电离分数剖面，以及当前的稳态质量损失率。ATES 通过有限体积格式求解径向坐标下的一维欧拉、质量和能量守恒方程。流体动力学模块 paired 与一个光致电离平衡求解器，该求解器包含由原子氢和氦完全构成的原初大气情况下的轫致辐射、复合和碰撞激发/电离冷却，同时也考虑不同离子种类的平流。与用 The PLUTO-CLOUDY Interface（TPCI）模拟的 14 颗中到高辐照行星的结果相比，ATES 在远短的计算时间内取得显著良好的一致。一项收敛研究表明，ATES 对满足 log(-φ_p) ≲ 12.9 + 0.17 log F_XUV 的系统可恢复稳定的稳态流体动力学解。顺便指出，高于该阈值的系统大气通常被认为正经历金斯逃逸。该代码还具有用户友好的图形界面，作为在线仓库公开可用。