Насколько плоской может быть планетная система? В случае с TRAPPIST-1 она может быть почти без орбитальных наклонений

Все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца более или менее в одной плоскости. По сравнению с орбитой Земли, которая определяет плоскость под нулевым градусом, орбита с наибольшим углом — это орбита Меркурия с наклоном 7 градусов (угол орбиты карликовой планеты Плутон составляет 17,2 градуса).

Орбитальные характеристики планет меняются по мере того, как протопланетный диск из газа и пыли рассеивается, и по мере того, как молодые планеты сами мигрируют в диске в ответ на их взаимные гравитационные влияния и эффекты материала в диске. Поэтому астрономы признают, что внешний вид планетной системы на орбите отражает ее эволюционную историю.

Планетная система TRAPPIST-1 состоит из семи планет размером с Землю, вращающихся вокруг небольшой звезды (масса всего 0,09 солнечной массы) на расстоянии около сорока световых лет от Солнца.

Впервые обнаруженные телескопами TRAPPIST, последующие наблюдения с помощью камеры IRAC на Spitzer и миссии K2, среди прочего, к настоящему времени определили массы планет с точностью от 5 до 12% и уточнили другие свойства системы. Примечательно, что эта система на сегодняшний день является самой плоской из известных: ее орбитальное наклонение составляет всего 0,072 градуса.

Такая плоскость потенциально является очень важным препятствием для формирования и развития системы. Система также очень компактна: самая дальняя из семи планет вращается вокруг звезды всего на 0,06 астрономических единиц (в нашей солнечной системе Меркурий вращается более чем в пять раз дальше). В такой плотно упакованной конфигурации взаимное гравитационное притяжение планет будет особенно важно влиять на такие детали, как наклоны орбиты.

Астрономы CfA использовали трехмерное компьютерное моделирование газового диска и планет для изучения ряда возможных моделей образования, включая те, которые были предложены в предыдущих исследованиях.

Зная, что газообразный протозвездный диск влияет на миграционные свойства планет, ученые были особенно заинтересованы в изучении минимальной массы диска для системы TRAPPIST-1. Они адаптировали компьютерный код AREPO, который в прошлом успешно использовался в основном для космологического моделирования.

Астрономы пришли к выводу, что в соответствии с некоторыми более ранними предположениями, семь планет, вероятно, сформировались последовательно, каждая из которых первоначально находилась на расстоянии от звезды, где температура падает настолько, чтобы вода могла замерзнуть, а затем мигрирует внутрь, медленно увеличиваясь по пути и останавливаясь, когда на их орбиту соответствующим образом влияет присутствие других планет.

Требуется лишь небольшая масса диска, около 0,04 массы Солнца, при этом модели также учитывают распределение материала внутри диска, и, кроме того, астрономы могут исключить массу диска, превышающую примерно в пятнадцать раз это значение. Новая работа демонстрирует, как моделирование планетных систем может быть использовано для получения интересных подробностей о том, как они формировались и развивались.