На планетах системы TRAPPIST-1 должно быть много воды

Первая попытка анализа состава землеподобных экзопланет. Новые исследования показали, что все семь планет, обращающихся вокруг близкой к Земле холодной карликовой звезды TRAPPIST-1 состоят преимущественно из каменных пород, а воды на некоторых из них может быть даже больше, чем на Земле. Плотности этих планет, которые теперь известны с гораздо большей точностью, чем прежде, свидетельствуют о том, что у некоторых из них вода может составлять до 5 процентов их массы — примерно в 250 раз больше, чем количество воды в океанах Земли. Более горячие планеты, расположенные вблизи своей материнской звезды, вероятно, окружены плотной атмосферой из водяного пара, а более далекие покрыты льдом. Четвертая от центральной звезды планета по своим размерам, плотности и количеству света, которое она получает, больше всего похожа на Землю. Из семи планет системы она, по-видимому, в наибольшей степени является каменной и потенциально может обладать запасами воды.

Планетная система тусклого красного карлика TRAPPIST-1, находящегося всего в 40 световых годах от Земли, была обнаружена в 2016 г. с помощью телескопа TRAPPIST-Юг в обсерватории ESO Ла Силья. Наблюдения, выполненные в следующем году на наземных телескопах, в том числе на Очень Большом Телескопе ESO, и на Космическом телескопе Спитцера (NASA), выявили в этой системе не менее семи планет, близких по размеру к Земле. Планеты получили обозначения TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g и h, в порядке увеличения их расстояния от центральной звезды [1].

После того, как с наземными телескопами, в том числе с новым инструментом SPECULOOS в обсерватории ESO Параналь, и с Космическими телескопами Спитцера (NASA) и Кеплера были выполнены новые наблюдения системы, группа исследователей во главе с Симоном Гриммом (Simon Grimm) из Бернского университета в Швейцарии применила к полученным данным сложные методы численного моделирования и определила плотности планет системы TRAPPIST-1 с гораздо большей точностью, чем это было сделано ранее [2].

Симон Гримм объясняет, как вычислялись массы планет: "Планеты системы TRAPPIST-1 расположены так близко друг к другу, что оказывают друг на друга сильное гравитационное воздействие, и поэтому моменты их прохождений по диску материнской звезды – транзитов – несколько сдвигаются. Эти сдвиги зависят от масс планет, от расстояний между ними и от других орбитальных параметров. В нашей компьютерной модели мы изменяли параметры орбит планет до тех пор, пока вычисленные моменты транзитов не совпали с наблюдаемыми, а из этого нашли и массы планет."

Член исследовательской группы Эрик Агол (Eric Agol) так комментирует значение выполненной работы: "Одна из целей исследований экзопланет – установить состав тех из них, которые напоминают Землю по размерам и температуре. После открытия системы TRAPPIST-1 технические возможности инструментов ESO в Чили и орбитального Космического телескопа Спитцера (NASA) позволили достичь этой цели. Мы впервые узнали, из чего состоят землеподобные экзопланеты!"

Измеренные плотности в сочетании с моделями состава планет приводят к заключению, что поверхности семи планет системы TRAPPIST-1 – не просто голая каменная пустыня. По-видимому, они содержат значительное количество летучих веществ, вероятно, воды [3], количество которой у некоторых из них достигает 5% массы планеты. Это очень много — для сравнения, на Земле вода составляет всего около 0.02% ее массы!

"Конечно, плотность, хоть это и важная характеристика планеты, ничего не говорит о ее обитаемости. И все же, наша работа – большой шаг вперед на пути исследования возможности существования жизни на этих планетах", — говорит соавтор работы Брис-Оливье Демори (Brice-Olivier Demory) из Бернского университета.

TRAPPIST-1b и c, самые близкие к центральному светилу планеты системы, скорее всего, имеют каменное ядро и окружены гораздо более плотными атмосферами, чем Земля. А вот TRAPPIST-1d – самая легкая: ее масса всего около 30% земной, и ученые сомневаются, что у нее может быть заметная атмосфера, океаны или ледяной покров.

Астрономы с удивлением обнаружили, что TRAPPIST-1e – единственная из всех планет системы, плотность которой несколько выше, чем у Земли. Это может означать, что у нее, возможно, имеется более плотное железное ядро, что она не обязательно окружена плотной атмосферой, что на ней нет океанов или ледяного щита. Загадочным образом TRAPPIST-1e оказывается значительно более «каменной», чем все остальные планеты системы. По размерам, плотности и количеству энергии, которую она получает от своей материнской звезды, эта планета больше всех остальных похожа на Землю.

TRAPPIST-1f, g и h настолько далеки от центральной звезды, что вода на их поверхности должна замерзать. Если у них есть атмосферы, они вряд ли содержат тяжелые молекулы, которыми богата земная атмосфера, как, например, углекислый газ.

"Интересно, что в этой системе планеты с самой большой плотностью – не самые близкие к своему светилу, и что на более холодных планетных не может быть плотной атмосферы", — замечает Каролина Дорн (Caroline Dorn), соавтор работы из Цюрихского университета в Швейцарии.

Планетная система TRAPPIST-1, несомненно, останется в центре внимания исследователей и будет интенсивно изучаться с помощью наземных и космических инструментов, в том числе с Чрезвычайно Большим Телескопом ESO и с Космическим телескопом Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA.

Астрономы усиленно ищут планеты и вокруг других слабых красных звезд, похожих на TRAPPIST-1. Член группы Мишель Гийон (Micha?l Gillon) говорит [4]: "Наша работа – свидетельство огромного интереса к исследованиям близлежащих ультра-холодных карликов — таких, как TRAPPIST-1 — на предмет обнаружения транзитов экзопланет земного типа. Именно эта задача является основной для проекта SPECULOOS, новой программы поиска экзопланет, которая сейчас запускается в обсерватории ESO Параналь в Чили.”

Примечания

[1] Эта планетная система обнаружена с наземными телескопами TRAPPIST-Юг в обсерватории ESO Ла Силья в Чили и TRAPPIST-Север в Марокко; с орбитальным Космическим телескопом Спитцера NASA; с приемником ESO HAWK-I на Очень Большом Телескопе в обсерватории Параналь в Чили; с 3.8-метровым телескопом UKIRT на Гавайях; с 2-метровым телескопом в Ливерпуле и 4-метровым телескопом Вильяма Гершеля на о. Ла Пальма (Канарские острова); с 1-метровым телескопом SAAO в Южной Африке.

[2] Измерение плотности экзопланет – непростая задача. Для этого необходимо знать и размеры, и массу планеты. Планеты системы TRAPPIST-1 были обнаружены методом транзитов — по наблюдениям малых колебаний блеска звезды, вызванных прохождениями планет на фоне ее диска, когда часть света звезды экранируется планетой. Этот метод позволяет неплохо оценить размеры планет. Измерить массу планеты, однако, гораздо труднее — масса планеты, которая движется по определенной орбите, может быть разной, прямого способа оценки массы по параметрам орбиты не существует. Но в системе с большим количеством планет есть другая возможность определения массы: более массивные планеты возмущают орбиты своих соседей в большей степени, чем легкие, что влияет на моменты транзитов. Группа Симона Гримма по этим трудно измеримым и очень слабым эффектам оценила наиболее вероятные массы всех семи, использовав огромное количество наблюдений моментов транзита, сложнейшие методы компьютерной обработки данных и изощренные методы моделирования.

[3] Использованные модели допускают существование и других летучих соединений, таких, как углекислота. Однако, именно вода в виде пара, жидкости или льда лучше всего подходит на роль доминирующего компонента на поверхности планет: она является наиболее часто встречающимся источником летучих соединений в протопланетных дисках с таким же химическим составом, как у Солнца.

[4] Комплекс обзорных телескопов SPECULOOS сейчас готовится к вводу в действие в обсерватории ESO на Паранале.

Источник: www.eso.org