Орбітальна гармонія обмежує пізнє прибуття води на планети TRAPPIST-1

Сім планет розміром із Землю обертаються навколо зірки TRAPPIST-1 майже в ідеальній гармонії, і американські та європейські дослідники використали цю гармонію для визначення, скільки фізичного знущання планети могли витримати у своєму дитинстві.

Про це розповідають в Університеті Райса, що в Х'юстоні, штат Техас, США.

«Після того, як скелясті планети утворюються, їх гамселять різні речі», — каже астрофізик Шон Реймонд з університету Бордо у Франції. «Це називається бомбардуванням, або пізньою акрецією, і нас це турбує частково тому, що ці удари можуть бути важливим джерелом води та летких елементів, які сприяють життю».

У дослідженні, опублікованому онлайн в журналі Nature Astronomy, Раймонд та його колеги з проєкту CLEVER Planets при Університеті Райса та фінансованого НАСА і семи інших установ використовували комп’ютерну модель бомбардувальної фази формування планет у TRAPPIST-1 для дослідження ударів, які могли витримати планети цієї системи, не вибиваючись з гармонії.

Ударна історія

За словами Раймонда, розшифровка ударної історії планет в нашій Сонячній системі складна й може здатися безнадійним завданням у системах, що віддалені на світлові роки.

Новини за подібною темою:

		"Габбл" і "Нові горизонти" одночасно націлилися на Уран для подальшого вивчення екзопланет
		Вчені відкрили планету, що обертається навколо найближчої до нашого Сонця поодинокої зорі
		"Вебб" виявив на "пухкій" екзопланеті несподівану асиметрію її атмосфери

«На Землі ми можемо виміряти певні типи елементів і порівнювати їх з метеоритами», — сказав Реймонд. «Саме так ми робимо, щоб спробувати з’ясувати, скільки всього потрапило на Землю після того, як вона була в основному вже утворена».

Але для вивчення бомбардування екзопланет таких інструментів не існує.

«Ми ніколи не отримаємо від них камінців», - сказав він. «Ми ніколи не побачимо на них кратерів. Тож що ми можемо зробити? Ось тут приходить на допомогу особлива орбітальна конфігурація TRAPPIST-1. Це свого роду важіль, за який ми можемо потягнути, щоб встановити обмеження».

TRAPPIST-1

Зоря TRAPPIST-1, віддалена від нас приблизно на 40 світлових років, набагато менша й холодніша за наше Сонце. Її планети названі по алфавіту від b до h у порядку їх відстані від зорі. Час, необхідний для здійснення одного оберту навколо зорі — в еквіваленті до одного року на Землі — становить 1,5 доби у планети b та 19 днів у планети h. Примітно, що їх орбітальні періоди утворюють майже ідеальні співвідношення, резонансне розташування, що нагадує гармонійні музичні ноти. Наприклад, за кожні вісім "років" на планеті b, п'ять проходить на планеті c, три — на планеті d, два — на планеті е й так далі.

Планети TRAPPIST-1 у порівнянні Юпітером та його супутниками та окремо з планетами Сонячної системи. Credit: NASA/JPL-Caltech

«Ми не можемо точно сказати, скільки чого-небудь потрапило в будь-яку з цих планет, але завдяки цій особливій резонансній конфігурації ми можемо встановити верхню межу», - сказав Реймонд. «Ми можемо сказати: “Тут може бути не більше цього”. І виявилося, що ця верхня межа насправді досить мала».

«Ми з’ясували, що після утворення цих планет їх бомбардувало не більш ніж дуже невеликою кількістю речовин», – сказав він. «Це круто. Це цікава інформація, коли ми думаємо про інші аспекти планет у системі».

Формування планет та їх бомбардування

Планети ростуть у протопланетних дисках з газу й пилу навколо новоутворених зірок. Ці диски існують лише кілька мільйонів років, і як сказав Реймонд, попередні дослідження показали, що резонансні ланцюги планет, такі як TRAPPIST-1, утворюються, коли молоді планети мігрують ближче до своєї зорі до того, як диск зникне. Комп’ютерні моделі показали, що диски можуть вивести планети в резонанс. Реймонд сказав, що вважається, що резонансні ланцюги, такі як TRAPPIST-1, повинні бути установлені до того, як їх диски зникнуть.

У результаті планети TRAPPIST-1 сформувалися швидко, приблизно за одну десяту часу, необхідного для формування Землі, сказав співавтор дослідження Андре Ізідоро, астрофізик і докторант CLEVER Planets.

CLEVER Planets, очолюваний співавтором дослідження Радждіпом Дасгуптою, професором наук про земні системи Моріса Юінга в Райсі, досліджує, як планети можуть отримати необхідні елементи для підтримки життя. У попередніх дослідженнях Дасгупта та його колеги з CLEVER Planets показали, що значна частина летючих елементів Землі походить від удару, який утворив Місяць.

«Якщо планета формується рано й вона занадто мала, наприклад як маса Місяця або Марса, вона не може накопичити багато газу з диска», - сказав Дасгупта. «Така планета також має набагато менше можливостей отримати життєво важливі леткі елементи через пізні бомбардування».

Ізідоро сказав, що так було б і для Землі, яка набрала більшу частину своєї маси відносно пізно, в тому числі приблизно 1% від ударів після зіткнення, що утворив Місяць.

«Ми знаємо, що Земля зазнала принаймні один гігантський удар після того, як газ (у протопланетному диску) зник», – сказав він. «Це була подія утворення Місяця.

«Що стосується системи TRAPPIST-1, у нас є планети з масою Землі, які сформувалися рано», — сказав він. «Тому одна потенційна різниця у порівнянні з утворенням Землі полягає в тому, що вони могли мати з самого початку деяку водневу атмосферу та ніколи не зазнавати пізнього гігантського удару. І це може багато змінити в еволюції з точки зору внутрішньої частини планети, виділення газів, втрати летючих речовин та інших речей, які впливають на придатність для життя».

Суперземлі та субнептуни

Реймонд сказав, що це дослідження має значення не тільки для вивчення інших резонансних планетних систем, а й для набагато більш поширених екзопланетних систем, які, як вважається, почалися як резонансні системи.

«Суперземель та субнептунів дуже багато навколо інших зірок, і переважна ідея полягає в тому, що вони мігрували всередину під час цієї фази газового диска, а потім, можливо, мали пізню фазу зіткнень», – сказав Реймонд. «Але під час цієї ранньої фази, коли вони мігрували всередину, ми думаємо, що вони майже — можливо, повсюдно — мали фазу, коли вони були резонансними ланцюговими структурами, такими як TRAPPIST-1. Вони просто не збереглися. Пізніше вони стали нестабільними».

Перспективи

Ізідоро сказав, що один з головних внесків дослідження може статися через багато років, після того, як космічний телескоп Джеймса Вебба від НАСА, Надзвичайно великий телескоп Європейської південної обсерваторії та інші інструменти дозволять астрономам безпосередньо спостерігати за атмосферою екзопланет.

«Сьогодні у нас є певні обмеження щодо складу цих планет, наприклад, скільки води вони можуть мати», - сказав Ізідоро про планети, які утворюються в резонансній фазі міграції. «Але у нас дуже великі похибки».

У майбутньому, спостереження дозволять краще обмежуватимуть внутрішній склад екзопланет, і знання про пізню історію бомбардування резонансних планет може бути надзвичайно корисним.

«Наприклад, якщо одна з цих планет має багато води, скажімо, 20% масової частки, вода повинна бути включена в планети рано, під час газоподібної фази», - сказав він. «Тож вам доведеться зрозуміти, який процес може принести воду на цю планету».

Співавторами дослідження також є Емелін Болмонт і Мартін Турбет з Женевського університету, Керолайн Дорн з Університету Цюриха, Франк Селсіс з Університету Бордо, Ерік Агол з Університету Вашингтона, Патрік Барт з Університету Сент-Ендрюса, Людмила Кароне з Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі, Німеччина, Майкл Гіллон з Льєзького університету та Саймон Грімм з Бернського університету.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Екзопланети
• TRAPPIST-1