На внешних планетах системы TRAPPIST-1, вероятно, есть вода - новое исследование

Красный карлик TRAPPIST-1 является домом для самой большой группы планет размером примерно с Землю, когда-либо обнаруженных в одной системе. Эти семь скалистых планет, расположенных на расстоянии около 40 световых лет от нас, являются примером огромного разнообразия планетных систем, которые заполняют Вселенную.

Все планеты похожи на Землю по массе и размерам, а 3 или 4 из них потенциально обитаемы.

Система Trappist-1 привлекла большое внимание с момента ее открытия в 2017 году, потому что на первый взгляд она кажется идеальной системой для инопланетной жизни. Множество теплых земных миров, похожих на нашу внутреннюю Солнечную систему. Но один вопрос заключался в том, подходят ли красные карлики для обитаемых миров — а в центре системы звезда — красный карлик (М-карлик).

Новое исследование, опубликованное в журнале Planetary Science Journal, изучает возможную потерю атмосферы на планетах системы TRAPPIST-1.

Большинство звезд Млечного Пути являются карликами класса M. Как ясно показывает звезда 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 вспышки 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 красные карлики излучают меньше энергии, их обитаемые зоны расположены намного ближе, чем зоны вокруг звезды главной последовательности, такой как 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 сильно нагреваться, в то время как другая сторона будет постоянно темной и холодной. Если есть атмосфера, то могут быть чрезвычайно мощные ветры.

“Поскольку M-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 проверен наблюдениями в ближайшем будущем”, — пишут авторы.

“Планетарные объекты, представляющие интерес для определения характеристик атмосферы с помощью красных карликов (звезд-хозяев), 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 могли бы помочь, но до их ввода в эксплуатацию еще минимум несколько лет.

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 у других звезд главной последовательности. Но, несмотря на их меньшую яркость и небольшой размер, они представляют собой проблему для обитаемости.

У красных карликов 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 вытеснять атмосферы от близлежащих планет. Даже без вспышки ближайшая к TRAPPIST-1 планета (далее Т-1) получает в четыре раза больше излучения, чем Земля.

“В дополнение к изменению светимости, повышенная звездная активность усиливает потерю атмосферы”, — пишут авторы. Это также может затруднить понимание спектров атмосфер планет, создавая ложноположительные биосигналы. Ожидается, что экзопланеты, вращающиеся вокруг M-карликов, будут иметь плотную атмосферу, в которой преобладает абиотический кислород.

Несмотря на трудности, система Т-1 представляет собой прекрасную возможность изучить красные карлики, потерю атмосферы и обитаемость скалистых планет. «TRAPPIST-1 — это высокоприоритетная цель для общих и гарантированных наблюдений JWST», — пишут авторы. JWST уже наблюдал за внутренними планетами системы Т-1, и эти данные являются частью новой 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 (TО, Terrestrial Oceans). Они также смоделировали различное количество звездного излучения с течением времени. В их симуляциях использовались самые последние данные о планетах Т-1 и множество различных траекторий планетарной эволюции.

«Мы обнаружили, что внутренние планеты T1-b, c и d, вероятно, высушены при всех вариантах, кроме самого большого начального содержания воды (>60, 50 и 30 TO соответственно) и подвергаются наибольшему риску полной потери атмосферы из-за их близости 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 удержать часть своей воды, если только ее начальный объем не был низким — около 1 ТО. «Мы обнаружили, что T1-e, f, g и h теряют максимум 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 моделированию, планета сохраняет большую часть атмосферного кислорода независимо от того, было ли начальное содержание кислорода высоким или низким.

Потенциальная обитаемость планет системы 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 ее — наблюдать за ней более тщательно.

«Эти выводы побуждают последующие наблюдения искать наличие водяного пара или кислорода на T1-c и проводить наблюдения внешних планет в системе TRAPPIST-1, которые могут содержать значительное количество воды», — пишут авторы в своем заключении.