Орбитальная гармония планет TRAPPIST-1 может выдержать только ограниченную раннюю бомбардировку
Семь планет размером с Землю вращаются вокруг звезды TRAPPIST-1 в почти идеальной гармонии, и американские и европейские исследователи использовали эту гармонию, чтобы определить, сколько физического воздействия в виде ударов метеоритов планеты могли выдержать после своего образования.
«После образования каменистых планет в них врезаются различные тела», — сказал астрофизик Шон Реймонд из Университета Бордо во Франции. «Это называется бомбардировкой или поздней аккрецией, и мы интересуемся об этом отчасти потому, что эти удары могут быть важным источником воды и летучих элементов, которые способствуют развитию жизни».
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, Шон Раймонд и его коллеги из проекта CLEVER Planets, использовали компьютерную модель фазы бомбардировки планетарного образования в TRAPPIST-1, чтобы исследовать столкновениям, которым ее планеты могли бы противостоять, не выбиваясь из гармонии.
По словам ученых, расшифровка истории столкновений планет является сложной задачей в нашей Солнечной системе и может показаться безнадежной задачей в системах, находящихся на расстоянии многих световых лет.
«На Земле мы можем измерять определенные типы элементов и сравнивать их с метеоритами», — сказал Шон Раймонд. «Это то, что мы делаем, чтобы попытаться выяснить, сколько вещества ударилось в Землю после того, как она в основном сформировалась». Но таких инструментов для изучения бомбардировок экзопланет не существует.
«Мы никогда не получим от них камней», — сказал он. «Мы никогда не увидим на них кратеров. Так что мы можем сделать? Именно здесь вступает в игру особая орбитальная конфигурация TRAPPIST-1. Это своего рода рычаг, который мы можем потянуть, чтобы узнать».
Звезда TRAPPIST-1, находящаяся на расстоянии около 40 световых лет от нас, намного меньше и холоднее Солнца. Ее планеты названы в алфавитном порядке от b до h в порядке их удаленности от звезды. Время, необходимое для завершения одного обращения вокруг звезды, что эквивалентно одному году на Земле, составляет 1,5 дня на планете b и 19 дней на планете h. Примечательно, что их орбитальные периоды образуют почти идеальное соотношение, резонансное расположение, напоминающее гармоничные музыкальные ноты. Например, за каждые восемь «лет» на планете b пять проходят на планете c, три на планете d, два на планете e и так далее.
«Мы не можем точно сказать, сколько материала ударилось о любую из этих планет, но из-за этой особой резонансной конфигурации мы можем установить для нее верхний предел», — сказал Шон Раймонд. «Мы можем сказать: «Этого не могло быть больше, чем вот столько». И оказывается, что такой верхний предел на самом деле довольно мал.
«Мы выяснили, что после того, как эти планеты сформировались, они не подвергались бомбардировке более чем очень небольшим количеством материала», — сказал он. «Это интересная информация, когда мы думаем о других аспектах планет в системе».
Планеты растут в протопланетных дисках из газа и пыли вокруг новообразованных звезд. Эти диски существуют всего несколько миллионов лет, и предыдущие исследования показали, что резонансные цепочки планет, подобные TRAPPIST-1, образуются, когда молодые планеты перемещаются ближе к своей звезде, прежде чем диск исчезнет. Компьютерные модели показали, что диски могут приводить планеты в резонанс. Считается, что резонансные цепи, подобные TRAPPIST-1, должны быть установлены до того, как их диски исчезнут.
«В результате планеты TRAPPIST-1 сформировались быстро, примерно в десять раз быстрее, чем Земля», — сказал соавтор исследования Райс Андре Изидоро, астрофизик и научный сотрудник CLEVER Planets.
CLEVER Planets, возглавляемая соавтором исследования Радждипом Дасгуптой, изучает способы, которыми планеты могут приобретать необходимые элементы для поддержания жизни. В предыдущих исследованиях Дасгупта и его коллеги из CLEVER Planets показали, что значительная часть летучих элементов Земли возникла в результате столкновения с Луной.
«Если планета формируется рано и слишком мала, как Луна или Марс, она не может аккрецировать много газа с диска», — сказал Радждип Дасгупта. «У такой планеты также гораздо меньше возможностей получить жизненно важные летучие элементы в результате поздних бомбардировок».
Ученые говорят, что это могло произойти с Землей, которая относительно поздно набрала большую часть своей массы, в том числе около 1% от ударов после столкновения, связанного с формированием Луны.
«Мы знаем, что Земля пережила по крайней мере одно гигантское столкновение после того, как газ (в протопланетном диске) исчез. Это было событие формирования луны».
«Что касается системы TRAPPIST-1, у нас есть планеты с массой Земли, которые сформировались рано», — говорят ученые. «Таким образом, одно различие потенциалов по сравнению с образованием Земли состоит в том, что они с самого начала могли иметь некоторую водородную атмосферу и никогда не испытывали поздних гигантских столкновений. И это может во многом изменить эволюцию с точки зрения внутренней части планеты, выделения газа, летучих потерь и других вещей, которые имеют значение для обитаемости».
Шон Реймонд сказал, что исследование имеет значение не только для изучения других резонансных планетных систем, но и для гораздо более распространенных экзопланетных систем, которые, как считалось, возникли как резонансные системы.
«Суперземли и суб-Нептуны очень распространены вокруг других звезд, и преобладающая идея состоит в том, что они мигрировали внутрь во время фазы газового диска, а затем, возможно, имели позднюю фазу столкновений», — сказал Шон Раймонд. «Но на той ранней стадии, когда они мигрировали внутрь, мы думаем, что в значительной степени — возможно повсеместно — была фаза, когда они были резонансными цепными структурами, такими как TRAPPIST-1. Они просто не выжили. Позже они стали нестабильными».
Один из основных вкладов в исследование может появиться через несколько лет, после того как космический телескоп НАСА Джеймс Уэбб, Чрезвычайно большой телескоп Европейской южной обсерватории и другие инструменты позволят астрономам напрямую наблюдать за атмосферой экзопланет.
«Сегодня у нас есть некоторые ограничения на состав этих планет, например, сколько воды у них может быть», — говорят ученые о планетах, которые формируются в резонансной фазе миграции. «Но у нас очень большие планки ошибок».
В будущем наблюдения будут лучше ограничивать внутренний состав экзопланет, и знание истории поздних бомбардировок резонансных планет может быть чрезвычайно полезным.
«Например, если на одной из этих планет много воды, скажем, с массовой долей 20%, вода, должно быть, была включена в планеты рано, во время газовой фазы. Итак, нам нужно будет понять, какой процесс может принести эту воду на такую планету».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.