Niedawno skomentowaliśmy odkrycie Proximy b, planety, która stała się wisienką na torcie egzoplanetarnym. A 22 lutego 2017 roku z fanfarą ogłoszono odkrycie trzech planet jednocześnie w ekosferze innego czerwonego karła TRAPPIST-1. Ten system jest prawie dziesięć razy dalej niż Proxima Centauri, ale istnieją co najmniej dwie okoliczności, które sprawiają, że w ciągu ostatnich kilku miesięcy znajduje się druga wisienka na torcie. To:
- w ekosferze znajdują się jednocześnie trzy planety, co zwiększa prawdopodobieństwo, że przynajmniej jedna z nich nadaje się do życia;
- planety te, w przeciwieństwie do Proximy b, są przejściowe, to znaczy przechodzą wzdłuż tarczy gwiazdy dla ziemskiego obserwatora, co znacznie ułatwia obserwację ich atmosfer.
Kilka słów o historii sensacji. System został odkryty w 2015 roku przez mały belgijski teleskop TRAPPIST. Nazwa - Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope South - jest dopasowana do belgijskiej marki piwa. Teleskop znajduje się w Chile w Obserwatorium La Silla Europejskiego Obserwatorium Południowego.
Z jego pomocą odkryto trzy planety tranzytowe w pobliżu zimnego czerwonego karła 2MASS J23062928-0502285 [1], który otrzymał drugą, bardziej ludzką nazwę TRAPPIST-1 - był to pierwszy układ planetarny odkryty przez ten teleskop. Następnie system był obserwowany przez europejski teleskop VLT (Very Large Telescope) i wreszcie, dzięki danym z kosmicznego teleskopu podczerwieni Spitzer NASA, system został „rozplątany” i stwierdzono, że istnieje siedem planet. Właściwie ostatnim krokiem była konferencja prasowa NASA 22 lutego.
Postać: 1. Krzywa światła gwiazdy TRAPPIST-1 podczas 20-dniowej sesji teleskopu kosmicznego Spitzera. Zielone kropki - obserwacje za pomocą teleskopów naziemnych. Vertical - jasność gwiazdy w danej chwili w stosunku do średniej jasności. Diamenty oznaczają przejścia poszczególnych planet. Wyrzucanie punktów w górę to najprawdopodobniej gwiezdne rozbłyski. Istnieje tylko jedno przejście planety h. Jego okres i promień orbity szacuje się na podstawie czasu trwania pojedynczego tranzytu (patrz rys. 2)
Postać: 2. Krzywe blasku gwiazdy podczas tranzytów każdej z siedmiu planet
Film promocyjny:
Strefa nadająca się do zamieszkania obejmuje planety e, f, g, chociaż na pierwszy rzut oka planeta d jest bardziej odpowiednia do ogrzewania niż g. Wymaga to dość złożonej dyskusji z szacunkami możliwego efektu cieplarnianego, w tym wielu niewiadomych. Oczywiście pojęcie strefy nadającej się do zamieszkania jest bardzo arbitralne.
Bez względu na to, jak zdefiniujemy strefę nadającą się do zamieszkania, istnieją poważne problemy z faktyczną przydatnością do życia każdej z tych planet. Te same problemy co Proxima b. Są one związane z naturą czerwonych karłów.
1. Są to gwiazdy o bardzo gwałtownej aktywności magnetycznej. Posiadają grubą warstwę konwekcyjną. W przeciwieństwie do Słońca, gdzie ciepło jest przenoszone na zewnątrz głównie przez dyfuzję fotonów, panuje tam konwekcja. Słońce również ma konwekcję, dlatego pojawiają się plamy, rozbłyski, wypukłości, a na Ziemi - burze magnetyczne i zorze. Tam wszystkie te zjawiska są znacznie bardziej intensywne.
2. Jasność tych gwiazd na początku ich biografii bardzo się zmienia. Przez pierwsze miliony lat świecą dziesiątki, a nawet setki razy jaśniej niż w stanie stacjonarnym.
3. Strefa nadająca się do zamieszkania przez czerwone karły jest tak blisko gwiazdy, że planety zapadają się w pływowe zamknięcie: albo zawsze zwrócone są do gwiazdy z jednej strony, albo ich dzień jest dłuższy niż ich rok (w systemie TRAPPIST-1 pierwsza opcja jest bardziej prawdopodobna).
Co zrobić, natura po raz drugi w ciągu niecałego roku wymyka nam się właśnie z takich niezbyt zachęcających systemów planetarnych. Nie jest to zaskakujące - znacznie łatwiej je znaleźć metodą spektrometryczną (nie da się w ten sposób wykryć Ziemi w pobliżu Słońca), częściej okażą się przejściowe, a tranzyty są bardziej kontrastowe, wreszcie czerwonych karłów jest więcej niż żółtych i pomarańczowych.
Postać: 3. Jednoczesne przejście trzech planet. Krzywa światła wykonana 11 grudnia 2015 roku przez europejski teleskop VLT
Czyli dane o znalezionym systemie TRAPPIST-1 (błędy nie są podawane).
| Planeta | Promień orbity | Kropka | Promień planety | Intensywność ogrzewania (w jednostkach naziemnych) |
| b | AU 0,011 | 1,51 dnia | 1.09 Re | 4.25 |
| do | 0,015 | 2.42 | 1.06 | 2.27 |
| re | 0,021 | 4.05 | 0,77 | 1.14 |
| mi | 0,028 | 6.10 | 0.92 | 0.66 |
| fa | 0,037 | 9.21 | 1.04 | 0.38 |
| sol | 0,045 | 12.35 | 1.13 | 0,26 |
| godz | 0,063 | ~ 20 | 0,75 | 0.13 |
Gwiazda. Masa - 0,08 energii słonecznej, promień -0,117 energii słonecznej, jasność - 0,5103 energii słonecznej, temperatura 2550K
Można było z grubsza oszacować masy planet - z powodu ich interakcji tranzyty są nieznacznie przesunięte w czasie. Błędy w określaniu masy są duże, ale już możemy stwierdzić, że gęstość planet odpowiada wypełnieniu skalnego.
Oczywiście planety podobne do Ziemi w pobliżu gwiazd podobnych do Słońca zostaną znalezione w dającej się przewidzieć przyszłości. W rzeczywistości w danych Keplera znaleziono już kilka takich planet, tyle że są one bardzo daleko. Wystarczy obserwować na niebie kilkaset jasnych gwiazd (co jest planowane w najbliższych latach), a takie planety zostaną odkryte w ciągu stu lat świetlnych (a przy odrobinie szczęścia nawet bliżej).
W rzeczywistości wygodne planety w pobliżu wygodnych gwiazd znajdują się w odległości 15–20 lat świetlnych (wynika to ze statystyk uzyskanych przez Keplera), ale do ich odkrycia potrzebne są kosmiczne interferometry, które nie pojawią się wkrótce (patrz [2]).
Pozostaje nadzieja, że przynajmniej jedna z planet nadaje się do życia. Początkowo mogli mieć dużo wody - nie mogli uformować się tam, gdzie są teraz, i musieli migrować do gwiazdy z obrzeży dysku protoplanetarnego - z powodu linii śniegu, na której znajduje się wiele ciał lodowych. To prawda, że wyemigrowali w epoce, kiedy gwiazda była znacznie jaśniejsza. Jednak szacunki dokonane dla Proximy b pokazują, że hydrosfery planet mogą przetrwać palący upał trwający dziesiątki milionów lat.
Zamknięcie pływowe nie jest śmiertelne, jeśli planeta ma gęstą atmosferę i globalny ocean - wówczas wymiana ciepła jest w stanie wyrównać różnicę temperatur między półkulą dzienną i nocną.
Poważniejszym problemem jest zdmuchiwanie atmosfery przez gwiezdny wiatr i silne promieniowanie. Na konferencji prasowej powiedziano, że gwiazda jest teraz spokojna. Jest to prawdą, jeśli mamy na myśli promieniowanie cieplne, ale nie promieniowanie rentgenowskie: TRAPPIST-1 - mierzony bezpośrednio przez obserwatorium kosmiczne XMM - emituje mniej więcej taką samą ilość promieni rentgenowskich jak Słońce. Ponieważ planety są dziesięć razy bliżej gwiazdy niż Ziemia względem Słońca, ich promieniowanie rentgenowskie jest o trzy rzędy wielkości wyższe niż na Ziemi.
Promienie rentgenowskie nie stanowią bezpośredniego zagrożenia życia - są pochłaniane przez atmosferę. Problemem jest odwodnienie planety: promienie X i twarde światło ultrafioletowe rozbijają cząsteczki wody - wodór łatwo wyparowuje, tlen się wiąże. Co gorsza, skoro promieniowanie rentgenowskie jest intensywne, musi być silny wiatr gwiezdny - odrywa on zewnętrzne warstwy atmosfery. Jedynym ratunkiem w tym przypadku jest pole magnetyczne planety. Pytanie, czy te planety mają wystarczająco silne pole, to pytanie. Może jest.
Pozostaje więc nadzieja, że niektóre planety układu TRAPPIST-1 nadają się do życia. Czy można tę nadzieję potwierdzić lub zaprzeczyć? Jest to możliwe i znacznie łatwiejsze niż w przypadku Proximy b, w której trzeba obserwować albo odbite, albo własne promieniowanie cieplne planety.
Bardzo trudno jest go oddzielić od promieniowania gwiazdy. Tutaj atmosfery planet można obserwować w świetle, co jest nieporównywalnie łatwiejsze.
W przypadku Proximy b, nowy teleskop kosmiczny Jamesa Webba będzie mógł pokazać coś tylko w skrajnym przypadku: jedna półkula jest gorąca, a druga zamarznięta. W przypadku TRAPPIST-1 realistyczne jest zobaczenie linii absorpcyjnych w atmosferach planet. Lub nałóż pewne ograniczenia. Jedno z takich ograniczeń zostało już ustalone: wewnętrzne planety nie mają gęstej atmosfery wodorowej.
Postać: 4. Schemat orbit systemu TRAPPIST-1. Strefa mieszkalna jest zaznaczona na szaro. Kropkowane kółka - to nieco inna interpretacja
Czy istnieje teoretyczna możliwość, że James Webb odkryje życie na jednej z tych planet? Najbardziej wymownym markerem życia jest tlen. Jest w pełni wykrywalny zarówno jako ozon, jak i jako O2. Inną rzeczą jest to, że pewna ilość tlenu może powstać, na przykład, w wyniku dysocjacji cząsteczek wody przez twarde promieniowanie gwiazdy. Oszacowanie, ile tlenu jest wiarygodnym markerem, nie jest łatwe. Konieczne jest poznanie szybkości dysocjacji i szybkości wiązania tlenu - istnieje wiele niejasności. Ale jeśli jest tyle tlenu, co na Ziemi, nie ma dokąd pójść: tylko życie może go dać. Jeśli jest mało tlenu, nie oznacza to, że nie ma życia: na Ziemi było mało tlenu przez pierwsze kilka miliardów lat życia.
Podsumowując, chciałbym wyrazić ubolewanie z powodu pominięcia przez Rosję badań egzoplanet. Są osoby i prace indywidualne, ale nic więcej. Ale ten obszar nie wymaga gigantycznych instalacji - raczej szarej materii i wytrwałości, czym nasza nauka zawsze mogła się pochwalić. Pewną nadzieję daje rosyjski projekt „Milimetron” - kriogeniczny teleskop kosmiczny z 10-metrowym zwierciadłem: w projekcie badanie egzoplanet jest jednym z pierwszych punktów. To jednak temat na osobną publikację.
Boris Stern, astrofizyk, Ph. D. fizyczny -mata. nauki, prowadził. naukowy. sotr. Instytut Badań Jądrowych RAS (Troitsk)