Пожалуй, одной из самых интересных планетарных систем, открытых за последнее время, является система TRAPPIST-1. Расположенная «всего» в 40 световых годах от Земли, она является домом сразу для семи землеподобных планет, оборачивающихся вокруг маленькой красной карликовой звезды.
Астрономы считают, что три планеты системы располагаются в так называемой обитаемой зоне светила. Сразу два новых исследования были направлены на то, чтобы разобраться в потенциале обитаемости этих трех миров. Ученые обратили особое внимание на уровень излучения звезды, воздействующее на эти планеты, а также на приливные силы планет-соседей. Как оказалось, эти два фактора повышают шансы на то, что на трех обсуждаемых планетах возможно существование жизни.
Одна из странностей этой системы заключается в том, что все семь ее планет, названные от TRAPPIST-1b до -1h, находятся на орбите в непосредственной близости от звезды и друг от друга. Другими словами, они вполне могли бы уместится в пространстве между Меркурием и Солнцем. На первый взгляд может показать, что для жизни такое близкое расположение к звезде будет смертельным, но к счастью, TRAPPIST-1 – относительно холодный красный карлик, поэтому радиус его обитаемой зоны гораздо ниже, чем у того же Солнца.
Проблема же заключается в том, что звезда TRAPPIST-1 очень активна. Она выбрасывает гораздо больше частиц высокой энергии, чем наше Солнце. Это излучение может разрушить сложные молекулы, необходимые для зарождения и развития жизни.
Одно из исследований было посвящено моделированию движения частиц высоких энергий (протонов) после их выброса звездой TRAPPIST-1. Ученые смоделировали их взаимодействие с магнитным полем светила и обнаружили, что основная масса этих протонов будет бомбардировать четвертую планету системы – TRAPPIST-1e. К сожалению, именно она рассматривается исследователями как наиболее вероятный кандидат на обитаемость.
Наша Земля обладает магнитным полем, которое защищает нас от воздействия этих высокоэнергетических частиц. Ученые предположили, что планеты TRAPPIST-1e также может иметь магнитное поле, правда для эффективной защиты поверхности планетарного объекта ему потребуется в данном случае в 100 раз более сильное магнитное поле, чем обладает наша Земля. А это, говорят ученые, маловероятно.
В то же время специалисты не считают, что такое положение дел автоматически исключает возможность существования жизни на этой планете. В рамках других исследований выносилось предположение о том, что некоторые планеты системы TRAPPIST-1 могут быть водными мирами, и их глубокие океаны могут защитить подводную жизнь от воздействия этого мощного излучения.
Кроме того, ученые считают, что планеты TRAPPIST-1, вероятно, заперты приливно. С одной стороны, это означает, что одно и то же полушарие каждой планеты всегда обращено к звезде, в то время как вечная ночь окутывает другую сторону.
На Земле Луна поднимает приливы не только в океанах. Приливные силы деформируют сферическую форму мантии и земной коры. В системе TRAPPIST-1 две самые близкие к звезде планеты расположены достаточно близко друг к другу, поэтому ученые предположили, что миры могут вызывать приливы друг на друга, как Луна на Землю. Приливные силы при этом могут быть настолько мощные, что способны поддерживать вулканическую активность на обоих космических телах. Это, в свою очередь, позволяет сохранить атмосферу на обеих планетах.
Исследователи также считают, что шестая планета системы, TRAPPIST-1g, также подвергается приливным силам соседей. Если эта планета является океаническим миром, как предполагалось в других исследованиях, то этот эффект приливных сил также может сохранять температуру воды на планете достаточно высокой, чтобы в ней могла существовать жизнь.
Поиск пригодных для жизни экзопланет всегда вызывал большой интерес у астрономов, а любые открытия в этой сфере – большой ажиотаж как в мире науки, так и в СМИ. Так в 2016-м году в широких кругах исследователей все чаще начала появляться на слуху звезда под названием 2MASS J23062928-0502285 или иначе – TRAPPIST-1. Причиной тому стала планетарная система вокруг звезды, целых семь планет которой находится в так называемой обитаемой зоне. Однако, как это часто бывает, эмоции в науке являются плохим знаком, и дальнейшие исследования планет ставят под вопрос существования на них воды в жидком состоянии, не говоря уже о существовании жизни.
Звезда TRAPPIST-1 до последнего времени не была особо примечательным объектом для астрономов. Является одиночной звездой, которую видно с Земли в области созвездия Водолея, располагается на расстоянии в 39,5 световых лет от Солнца. Относится к спектральному классу M8 V – холодный красный карлик.
Радиус звезды TRAPPIST-1 составляет всего 12,1% солнечного радиуса, что чуть больше радиуса Юпитера (примерно 10% радиуса Солнца). Масса звезды оценивается в 84 массы Юпитера или 0,08 массы Солнца. Плотность звезды, примерно, в 49,3 раза превышает плотность Солнца. Поверхностная температура TRAPPIST-1 равна около 2559 кельвин (Солнце – 5778 К). Светимость звезды в 1900 раз меньше солнечной светимости. Период вращения составляет 3,295 суток. Возраст звезды, по данным составляет – 7,6 ± 2,2 млрд. лет.
В 2016-м года группа бельгийских и американских астрономов, возглавляемая Майклом Гиллоном, объявила об открытии трех землеподобных экзопланет вблизи холодного красного карлика по имени 2MASS J23062928-0502285. Три открытые планеты получили названия: TRAPPIST-1 b, TRAPPIST-1 c и TRAPPIST-1 d, в соответствии с их порядком удаленности от центральной звезды.
При этом использовался TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope, сокращенно – TRAPPIST. Данный телескоп находится в чилийских горах и в основном наблюдает так называемые транзитные планеты. Такие планеты наблюдаются методом транзитной фотометрии, который строится на наблюдении за планетой, проходящей на фоне звезды. Причем, этот метод позволяет также вычислить не только размеры планеты, но также ее плотность и даже дать информацию о составе атмосферы наблюдаемой планеты.
Диаметр всех трех открытых экзопланет не превышает диаметр Земли более чем на 10%. И хотя две из них в 60-90 раз ближе к TRAPPIST-1, чем мы к Солнцу – следует учесть, что наша звезда во много раз ярче и горячее. Примечательно, что по причине небольших размеров звезды и близости к ней экзопланет, период обращения двух ближайших планет оценивался в 1,5 и 2,4 дня. На момент данного открытия период обращения третьей экзопланеты оценивался от 4,5 до 73 суток. Таким образом, подобные масштабы системы близки скорее к системе Юпитера и его спутников, нежели к нашей Солнечной системе.
В силу своей близости к звезде, планеты TRAPPIST-1 b и TRAPPIST-1 c значительно подвергнуты приливным силам звезды, в результате чего, скорее всего, обе планеты всегда повернуты к своей звезде одной стороной. То есть, на одной стороне – всегда жаркий день, на другой – всегда холодная ночь. В таком случае благоприятные условия для жизни могут существовать лишь вблизи терминатора – линии светораздела планеты.
Третья же планета, из-за своего более далекого расположения от звезды попадает в зону обитаемости. Такой зоной называют область пространства вокруг звезды, в пределах которой температура позволяет воде существовать в жидком состоянии. Как известно, жидкая вода – одно из основных условий для существования известных нам форм жизни.
В феврале 2017-го года на пресс-конференции NASA было объявлено об открытии еще трех землеподобных каменистых экзопланет вблизи все той же звезды – TRAPPIST-1. Это открытие подтвердилось тридцатью исследователями со всех уголков Земли. Особенно примечателен тот факт, что все семь планет расположены в зоне Златовласки, или как было названо ранее – обитаемой зоне. Четыре из этих планет, согласно ученым, и вовсе имеют благоприятнейшие условия для обитания живых организмов.
Таким образом, вокруг звезды TRAPPIST-1 вращается семь звезд с названиями: b, c, d, e, f, g, и h. Все планеты вращаются очень близко к звезде. Например, если поместить на место Солнца звезду TRAPPIST-1, то все семь экзопланет расположатся внутри орбиты Меркурия. Однако, как было сказано ранее – TRAPPIST-1 в половину раза холоднее Солнца.
Значимость подобного открытия состоит в том, что по статистике на выборку из 100-400 миллиардов звезд Млечного Пути 30-50% приходится именно на красные карлики. В отличие от 10% желтых карликов, подобных Солнцу. Тогда вероятность обнаружения экзопланет в зоне обитаемости вблизи других звезд значительно растет. Примером другого красного карлика, лежащего на расстоянии всего в 4,243 световых года от Земли является Проксима Центавра. Данная звезда также вызывает большой интерес ученых с точки зрения поиска внеземной жизни.
Популярность системы TRAPPIST-1 возросла столь быстро, что начали возникать концепты поверхности планет системы, футуристические постеры о космических путешествиях между экзопланетами этой планетарной системы. Даже Google не обошли стороной столь популярное исследование, выпустив тематический дудл.
Последующие исследования заметно поубавили амбиции исследователей и постепенно начали возвращать нас к реальности. Как уже говорилось ранее, близкорасположенные к звезде TRAPPIST-1 экзопланеты, скорее всего, по причине приливных сил, расположены к ней одной стороной. Подобное явление не было б столь пагубным для предполагаемых живых организмов, если бы не активность звезды.
Аналогичное явление наблюдается у той же Проксима Центавра, которая, в силу своей активности, при помощи звездного ветра буквально сдувает с ближайшей экзопланеты всю атмосферу. По подсчетам исследователей, если звезда TRAPPIST-1 так же активна, как и Проксима Центавра, то ближайшие к ней планеты, за период своего существования, могли потерять объем воды равный 15 земным океанам. Подобный вывод довольно неутешительный.
Как оказалось позже, звезда TRAPPIST-1 действительно довольно активна. За 80 дней наблюдения за звездой, исследователи заметили 42 высокоэнергетические вспышки, пять из которых – мультивспышки излучений. Последние вспышки представляют собой множественный выброс энергии во всех направлениях от звезды. В результате такого явления близлежащие планеты системы TRAPPIST-1 буквально в миг потеряли бы большую часть своей атмосферы. Частота таких вспышек, по подсчетам ученых, составила – одну вспышку за 28 часов. Очевидно, за столь короткий срок никакая планета не способна восстановить свою атмосферу.
Дальнейшее изучение звезды TRAPPIST-1 показало, что она скорее всего относительно молодая, то есть ее возраст не превышает полумиллиарда лет. Кроме того, всплески излучения данной звезды вполне способны сдуть любую землеподобную атмосферу близкой экзопланеты за 1-3 миллиарда лет. Впрочем, некоторые данные наблюдений экзопланет системы указывают на то, что эти экзопланеты не всегда были вблизи звезды, а «мигрировали» к ней за время своего существования.
Прежде всего, следует отметить плотную компоновку всех семи планет системы. Подобное явление имеет место быть в силу так называемых гармонических резонансов орбит. Кратко говоря, орбитальные периоды всех экзопланет приблизительно равны целым отношениям 24/24, 24/15, 24/9, 24/6, 24/4, 24/3 и 24/2, а также кратны по отношению к соседней планете. Такие резонансы, как выяснили исследователи, являются основным требованием к существованию подобных плотных планетарных систем.
TRAPPIST-1 b – имеет высокую температуру и низкую плотность. Последнее говорит о возможном наличии воды или других легких веществ.
• Масса – 0,79 ± 0,27 массы Земли.
• Радиус – 1,086 радиуса Земли.
• Плотность – 3,4 ± 1,2 г/см3 (средняя плотность Земли 5,51 г/см³).
• Температура – +127 °C или 400 K (средняя температура Земли около 14 °C или 287,2 К).
• Орбитальный период – 1,51087 дня.
• Большая полуось – 0,011 а. е.
TRAPPIST-1 c – имеет относительно высокую температуру и высокую плотность. Последнее говорит о повышенном количестве железа – более 50% массы.
• Масса – 1,63 ± 0,63 массы Земли.
• Радиус – 1,056 ± 0,035 радиуса Земли.
• Плотность – 7,63 ± 3,04 г/см3.
• Температура – +68 °C или 342 K
• Орбитальный период – 2,4218 дня.
• Большая полуось – 0,015 а. е.
TRAPPIST-1 d – имеет плотность и температуру близкую к земным.
• Масса – 0,41 ± 0,27 массы Земли.
• Радиус – 0,772 ± 0,030 радиуса Земли.
• Плотность – 4,9 ± 3,3 г/см3.
• Температура – +14,9 ± 5,6 °C или 288,0 ± 5,6 K.
• Орбитальный период – 4,0496 дня.
• Большая полуось – 0,0214 а. е.
TRAPPIST-1 e – имеет низкую температуру и низкую плотность. Последнее говорит о наличии воды или более легких элементов в составе планеты. Однако в силу низкой температуры – вода на планете находится в твердом состоянии. Находится в зоне обитаемости.
• Масса – 0,24 (<0,80) массы Земли.
• Радиус – 0,918 ± 0,039 радиуса Земли.
• Плотность – 1,71 (<5,71) г/см3.
• Температура – −21,9 ± 4,9 °C или 251,3 ± 4,9 K.
• Орбитальный период – 6,0996 дня.
• Большая полуось – 0,028 а. е.
TRAPPIST-1 f – имеет низкую температуру и низкую плотность, может быть планетой-океаном. Находится в зоне обитаемости.
• Масса – 0,36 ± 0,12 массы Земли.
• Радиус – 1,045 ± 0,038 радиуса Земли.
• Плотность – 1,74 ± 0,61 г/см3.
• Температура – −54,2 ± 4,2 °C или 2 219,0 ± 4,2 K.
• Орбитальный период – 9,2067 дня.
• Большая полуось – 0,0371 а. е.
TRAPPIST-1 g – имеет очень низкую температуру и низкую плотность. Находится в зоне обитаемости.
• Масса – 0,566 ± 0,038 массы Земли.
• Радиус – 1,127 ± 0,041 радиуса Земли.
• Плотность – 2,18 ± 0,28 г/см3.
• Температура – −74,6 ± 3,8 °C или 198,6 ± 3,8 K.
• Орбитальный период – 12,353 дня.
• Большая полуось – 0,0451 а. е.
TRAPPIST-1 h – имеет очень низкую температуру, по подсчетам, получает столько же энергии от своей звезды, сколько пояс астероидов от Солнца. Вероятно, имеет чисто ледяной состав.
• Масса – 0,086 ± 0,084 массы Земли.
• Радиус – 0,715 радиуса Земли.
• Плотность – 1,27 (<2,54) г/см3.
• Температура – −104,1 ± 4 °C или 169 ± 4 K.
• Орбитальный период – 18,764 дня.
• Большая полуось – 0,063 а. е.
В системе TRAPPIST-1 больше всего известных к настоящему времени землеподобных, потенциально обитаемых планет. Периоды их обращения вокруг звезды кратны друг другу, что позволяет говорить о самой длинной цепочке резонансов – планеты периодически сближаются.
TRAPPIST-1 – очень блеклая звезда, что затрудняет ее изучение. Подобные ей красные карлики распространены во Вселенной, на них приходится большая часть звездного вещества Галактики. Считается, что это молодые звезды. Но анализ данных показал: TRAPPIST-1 – исключение. Ее возраст оценивают в 7,6 миллиарда лет и даже больше.
Выбросы плазмы у нее редки. Строение фотосферы неизвестно, но астрономы предполагают, что там могут быть гигантские холодные пятна и маленькие, очень горячие факелы температурой более четырех тысяч кельвинов.
Из-за близости к светилу планеты находятся под сильным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, способным буквально стерилизовать поверхность и разрушать атмосферу. Столь интенсивное излучение не выдержит ни один из известных на Земле микроорганизмов, включая самую радиационно стойкую бактерию Deinococcus radiodurans.
Только плотная атмосфера с озоновым слоем дает шанс на близкие к земным условия. В любом случае ученые готовятся искать у планет атмосферу, а в ней – биомаркеры, повышающие вероятность зарождения жизни, в первую очередь – озон.
Атмосфера планет богата водородом, однако его может выдувать жесткое излучение звезды. Хотя все небесные тела преимущественно каменные, они почти на треть состоят из воды. Лед это, газ или океаны – неизвестно. Для сравнения – Мировой океан составляет всего 0,02 процента массы Земли.
Ученые полагают, что изобилие воды говорит об окраинном происхождении планет и последующей миграции их ближе к звезде. Не исключено, что они постепенно сменили свой порядок. Согласно другой гипотезе, воду на планеты занесли кометы, которые усиленно их бомбардировали на начальном этапе формирования системы.
Ближайшие к звезде TRAPPIST-1b, c и d слишком горячи, чтобы сохранить жидкую воду. Седьмая планета, TRAPPIST-1h, слишком холодна. Жидкая вода на ее поверхности возможна только из-за разогрева недр от приливного эффекта либо за счет хорошо сохранившейся, богатой водородом первичной атмосферы.
Самые интересные для астрономов – три средние планеты. TRAPPIST-1e целиком каменная, но там в дефиците летучие компоненты и вода. По сравнению с соседями это сухая планета, напоминает большой Меркурий, лишившийся атмосферы и части мантии из-за удара небесного тела гораздо больших размеров, чем он сам.
Планета f, скорее всего, окружена землеподобной атмосферой, под которой скрываются океаны. Однако близость соседей может сыграть злую шутку: создаваемый во время сближения планет приливный эффект разогревает недра, и вместо воды на поверхности бушуют огромные океаны магмы.
В атмосфере есть углекислый газ, который на ночной стороне образует шапки льда. Согласно одному из сценариев, некоторые планеты испытывают сильный парниковый эффект, что уменьшает вероятность найти там жизнь.
В ближайшее время ученые надеются обнаружить восьмую планету у TRAPPIST-1 и уже сейчас активно предсказывают ее орбиту. Надежды возлагают на космический телескоп имени Джеймса Уэбба, его запуск намечен на 2021 год. До тех пор почти все сведения о составе и происхождении планет останутся очень гипотетическими, многие сценарии того, что происходит у них в атмосфере и на поверхности, могут оказаться ошибочными.
Система TRAPPIST-1 – дом для самого большого количества планет, схожих по размеру с Землей, когда-либо обнаруженных за пределами Солнечной системы. TRAPPIST-1 была обнаружена в 2016 году исследователями Льежского университета. С того момента астрофизики изучали ее семь планет, используя космические (телескопы НАСА Kepler и Spitzer) и наземные телескопы (в частности, TRAPPIST и SPECULOOS). Один только телескоп Spitzer провел более 1000 часов целевых наблюдений за системой (до того, как прекратил работу в январе 2020 года). Эти наблюдения позволили измерить массу и диаметр планет, исходя из чего ученые заключили, что семь планет схожи с Землей и должны быть скалистыми.
Новое – более точное – исследование добавляет ещё одну характеристику – плотность. Авторы работы подсчитали, что все экзопланеты системы имеют плотность примерно на 8% меньше, чем у Земли, и этот факт может повлиять на их состав. Могут измениться пропорции железа, кислорода, магния и кремния – элементов, из которых состоит большинство скалистых планет (в том числе Земля).
Исследователи выдвинули три гипотезы, объясняющие эту разницу в плотности с нашей планетой. Согласно первой, состав экзопланет такой же, как у Земли, но железа меньше (около 21% по сравнению с 32% у нашей планеты). В составе Земли большая часть железа находится в ядре, поэтому предполагается, что ядра планет TRAPPIST-1 обладают более низкими относительными массами.
Вторая гипотеза: составы исследуемых планет лучше обогащены кислородом по сравнению с составом нашей планеты. Взаимодействуя с железом, кислород образует оксид железа. К примеру, поверхность Марса приобретает красный цвет из-за оксида железа, но у него – как и у Земли, Меркурия и Венеры – ядро состоит из неокисленного железа. Если более низкая плотность планет TRAPPIST-1 была полностью обусловлена окисленным железом, тогда планеты «проржавели бы до самого сердца» и у них не было бы настоящего ядра. При этом, авторы не исключают, что оба сценария могут работать одновременно: у планет TRAPPIST-1 может быть меньше железа в целом и немного окисленного железа.
Третий вариант состоит в том, что на этих планетах больше воды, чем на Земле. Этот сценарий согласуется с результатами независимых теоретических исследований, который указывают на то, что планеты TRAPPIST-1 сформировались дальше от своей звезды в холодной, богатой льдом среде. Если это объяснение верно, то вода может составлять около 5% от общей массы четырех внешних планет системы. Для сравнения: вода составляет менее одной десятой процента от общей массы Земли.
Трем внутренним планетам в TRAPPIST-1, расположенным слишком близко к своим звездам, чтобы вода оставалась жидкой при большинстве обстоятельств, потребуются горячие и плотные атмосферы, как на Венере, где вода может оставаться в виде пара. Но, по мнению авторов работы, это объяснение кажется менее вероятным: это было бы совпадением, что на всех семи планетах присутствует ровно столько воды, чтобы у планет была одинаковая плотность.
Чтобы понять, какие планеты могут быть пригодны для жизни, необходимо знать их структуру и состав. Для этих целей астрономам нужно с большой точностью знать значения плотности планет, на основе которых строятся модели, описывающие их внутреннюю структуру и тип атмосферы. Для нахождения плотности необходимо знать размеры и массу планеты. Размер экзопланет оценивался на основе метода транзитной фотометрии во время транзита планет на фоне диска звезды, однако с массой все гораздо сложнее.
Группа астрономов под руководством Симона Гримма для определения масс экзопланет использовала тот факт, что в системах с большим количеством тел, более массивные планеты влияют на орбиты своих соседей в большей степени, чем менее массивные, что влияет на время транзита.
Ученые проанализировали данные, полученные инструментом SPECULOOS в обсерватории Паранал и орбитальными телескопами «Спитцер» и «Кеплер», и построили компьютерные модели, в которых изменяли параметры орбиты экзопланет до тех пор, пока вычисленные моменты транзитов не совпали с наблюдаемыми.
Другая группа астрономов во главе с Жюльеном де Витом проанализировала инфракрасные данные космического телескопа «Хаббл», полученные в период с декабря 2016 года по январь 2017 года, чтобы сделать оценку типа атмосфер четырех планет, находящихся вблизи обитаемой зоны. Когда планета оказывается между земным наблюдателем и диском звезды, часть света звезды проходит сквозь атмосферу и поглощается различными химическими элементами, что отражается в спектрах и позволяет понять химический состав атмосферы, чего и добивались исследователи.
Выяснилось, что плотности планет составляют от 0,61 до 1,02 средней плотности Земли, что близко к плотности горных пород. Самые близкие к звезде планеты TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1c могут иметь каменное ядро и атмосферу, более плотную, чем земная. Следующая после них TRAPPIST-1d оказалась самой легкой (ее масса составляет всего 0,03 массы Земли), а TRAPPIST-1e имеет плотность в несколько раз больше земной, что может говорить о наличии у нее железного ядра и отсутствии океанов или ледяного покрова. При этом по своим параметрам она больше всех остальных планет похожа на Землю.
Планеты TRAPPIST-1f, g и h настолько далеки от звезды, что вода на их поверхности может существовать только в виде льда, а атмосфера лишена тяжелых молекул, таких как углекислый газ. При этом для планет TRAPPIST-1d, e и f удалось полностью исключить возможность существования у них «распухшей» гелиево-водородной атмосферы, лишенной облаков (ранее это удалось сделать для планет TRAPPIST-1b и 1c), что делает их еще более похожими на планеты типа Земли. Об этом говорит отсутствие следов воды и метана в полученных при помощи телескопа «Хаббл» спектрах. Предполагается, что атмосферы этих планет состоят из более тяжелых элементов, находящихся на гораздо более низких высотах.
Астрофизики из Гарвардского университета и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики выяснили, что вероятность возникновения жизни в системе экзопланет TRAPPIST-1 выше, чем на Земле. К такому выводу ученые пришли, определив шансы переноса органических молекул с одной планеты на другую.
Планеты в TRAPPIST-1 удалены друг от друга на расстояние, которое в десять раз меньше дистанции Марса от Земли. По мнению ученых, это облегчает процесс переноса органических молекул с одного небесного тела на другое (панспермия). С помощью математической модели исследователи показали, что высокая вероятность панспермии способствует абиогенезу – появлению живых организмов из неживой материи.
Исследователи также предположили, что между планетами могут переноситься живые организмы (например, споры микроорганизмов). Это увеличивает не только число обитаемых планет, но и биологическое разнообразие существ на них.
|
