Солнечная система TRAPPIST-1 вызвала огромный интерес, когда ее наблюдали несколько лет назад. В 2016 году астрономы с помощью Малого телескопа транзитных планет и планетезималей (TRAPPIST) в обсерватории Ла Силья в Чили обнаружили две скалистые планеты, вращающиеся вокруг звезды красного карлика, получившей название TRAPPIST-1. Затем, в 2017 году, более глубокий анализ обнаружил еще пять каменистых планет.
Это было замечательное открытие, особенно потому, что до четырех из них могли находиться на правильном расстоянии от звезды, чтобы иметь жидкую воду.
Система TRAPPIST-1 до сих пор привлекает большое научное внимание. Потенциальные планеты земного типа в обитаемой зоне звезды подобны магнитам для планетологов.
Обнаружение семи из них в одной системе — это уникальная научная возможность изучить всевозможные взаимосвязанные вопросы об обитаемости экзопланет. TRAPPIST-1 — красный карлик, и один из наиболее важных вопросов об обитаемости экзопланет касается красных карликов (М-карликов). Вытесняют ли эти звезды и их мощные вспышки атмосферы своих планет?
Новое исследование, опубликованное в журнале Planetary Science Journal, изучает утечку атмосферы на планетах TRAPPIST-1. Его название — «Последствия термогидродинамического выхода из атмосферы на планетах TRAPPIST-1». Меган Джаллука, аспирантка факультета астрономии и астробиологии Вашингтонского университета, является ведущим автором.
Большинство звезд Млечного Пути являются карликами класса M. Как ясно показывает TRAPPIST-1, они могут содержать множество планет земной группы. Вокруг звезд этого типа сравнительно редко встречаются большие планеты размером с Юпитер.
Вполне возможно, что большинство планет земной группы вращаются вокруг М-карликов.
Но вспышка М-карликов — известная проблема. Хотя М-карлики гораздо менее массивны, чем наше Солнце, их вспышки гораздо более энергичны, чем все, что исходит от Солнца. Некоторые вспышки М-карликов могут удвоить яркость звезды всего за несколько минут.
Другая проблема – приливная блокировка. Поскольку карлики M излучают меньше энергии, их обитаемые зоны расположены намного ближе, чем зоны вокруг звезды главной последовательности, такой как наше Солнце. Это означает, что потенциально пригодные для жизни планеты с гораздо большей вероятностью будут приливно привязаны к своим звездам.
Это создает целый ряд препятствий для обитаемости. Одна сторона планеты будет нести на себе основную тяжесть вспышки и будет нагреваться, в то время как другая сторона будет постоянно темной и холодной. Если есть атмосфера, могут быть чрезвычайно мощные ветры.
«Поскольку М-карлики являются наиболее распространенными звездами в нашем местном звездном окружении, вопрос о том, могут ли их планетные системы содержать жизнь, является ключевым вопросом астробиологии, который может быть поддается наблюдательным тестам в ближайшем будущем», — пишут авторы. «Земные планетарные цели, представляющие интерес для характеристики атмосферы с помощью M-карликов, могут быть доступны с помощью JWST», — объясняют они. Они также отмечают, что будущие крупные наземные телескопы, такие как Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп и Гигантский Магелланов Телескоп, также могут помочь, но до их ввода в эксплуатацию еще далеко.
Красные карлики и их планеты легче наблюдать, чем другие звезды и их планеты. Красные карлики маленькие и тусклые, а это означает, что их свет не заглушает планеты так сильно, как другие звезды главной последовательности. Но, несмотря на их меньшую яркость и небольшой размер, они представляют собой проблему для обитаемости.
У карликов М более длинная фаза перед главной последовательностью, чем у других звезд, и в это время они наиболее яркие. Как только они попадают на главную последовательность, у них повышается звездная активность по сравнению со звездами, подобными нашему Солнцу. Оба этих фактора могут оттеснять атмосферы от близлежащих планет. Даже без вспышки ближайшая к TRAPPIST-1 планета (далее Т-1) получает в четыре раза больше радиации, чем Земля.
«Помимо эволюции светимости, повышенная звездная активность также увеличивает звездное XUV звезд-карликов M, что усиливает потери в атмосфере», — пишут авторы. Это также может затруднить понимание спектров планетных атмосфер из-за ложных срабатываний биосигнатур. Ожидается, что экзопланеты вокруг М-карликов будут иметь плотную атмосферу, в которой преобладает абиотический кислород.
Несмотря на трудности, система Т-1 представляет собой прекрасную возможность изучить М-карликов, выход из атмосферы и обитаемость скалистых планет. «TRAPPIST-1 — это высокоприоритетная цель для общих и гарантированных временных наблюдений JWST», — пишут авторы. JWST наблюдал за частями системы Т-1, и эти данные являются частью этой работы.
В этой работе исследователи смоделировали ранние атмосферы для каждой из планет TRAPPIST-1 (далее Т-1), включая различные начальные количества воды, выраженные в земных океанах (ТО). Они также смоделировали различное количество звездной радиации с течением времени. В их симуляциях использовались самые последние данные о планетах Т-1 и использовалось множество различных траекторий планетарной эволюции.
Результаты не очень хорошие, особенно для ближайших к красному карлику планет.
«Мы обнаружили, что внутренние планеты T1-b, c и d, вероятно, высушены для всех, кроме самого большого начального содержания воды (>60, 50 и 30 TO соответственно) и подвергаются наибольшему риску полной потери атмосферы из-за их близость к родительской звезде», — объясняют исследователи. Однако, в зависимости от их первоначального ТО, они могли сохранять значительное количество кислорода. Этот кислород может быть ложноположительным для биосигнатур.
На внешних планетах дела обстоят немного лучше. Они могли удерживать часть своей воды, если только их начальная вода не была низкой — около 1 ТО. «Мы обнаружили, что T1-e, f, g и h теряют максимум примерно 8,0, 4,8, 3,4 и 0,8 ТО соответственно», — пишут они. На внешних планетах, вероятно, больше кислорода, чем на внутренних. Поскольку T1-e, f и g находятся в обитаемой зоне звезды, это интригующий результат.
T-1c представляет особый интерес, поскольку, согласно их моделированию, он сохраняет большую часть атмосферного кислорода независимо от того, было ли начальное содержание кислорода высоким или низким.
Потенциальная обитаемость планет Т-1 — важный вопрос в науке об экзопланетах. Тип звезды, количество каменистых планет и простота наблюдения ставят ее на первое место в списке объектов наблюдения. Мы никогда по-настоящему не поймем обитаемость экзопланет, если не сможем понять эту систему. Единственный способ лучше понять это — наблюдать за этим более тщательно.
«Эти выводы побуждают последующие наблюдения искать наличие водяного пара или кислорода на T1-c и будущие наблюдения внешних планет в системе TRAPPIST-1, которые могут содержать значительное количество воды», — пишут авторы в своем заключении.
