7 скалистых планет системы TRAPPIST-1 возможно сделаны из одинакового материала

Точные измерения показывают, что экзопланеты имеют чрезвычайно похожие плотности, что предоставляет подсказки об их составе.

Об этом рассказывают в Лаборатории реактивного движения НАСА.

Звезда-красный карлик TRAPPIST-1 является домом для планет примерно земного размера — крупнейшей группы из когда-либо обнаруженных в одной звездной системе. Расположенные примерно в 40 световых годах от нас, эти семь скалистых братьев и сестер являются примером огромного разнообразия планетных систем, которые, вероятно, заполняют Вселенную.

Новое исследование, опубликованное 22 января в "Planetary Science Journal", показывает, что планеты системы TRAPPIST-1 имеют чрезвычайно похожие плотности. Это может означать, что все они содержат примерно одинаковое соотношение материалов, из которых, как считается, состоит большинство скалистых планет — это железо, кислород, магний и кремний. Но если это так, это соотношение должно существенно отличаться от земного: планеты TRAPPIST-1 примерно на 8% менее плотные, чем они были бы, если бы имели такой же состав, как у нашей родной планеты. Основываясь на этом выводе, авторы научной работы выдвинули гипотезу, что несколько различных смесей ингредиентов могли бы предоставить планетам TRAPPIST-1 измеренную плотность.

Некоторые из этих планет известны с 2016 года, когда ученые объявили, что обнаружили три планеты вокруг звезды TRAPPIST-1 с помощью "Малого телескопа для наблюдения за транзитами планет и планетезималей" (TRAPPIST) в Чили. Дальнейшие наблюдения, осуществленные с помощью выведенного из эксплуатации космического телескопа Спитцера, в сотрудничестве с наземными телескопами подтвердили две первичные планеты и обнаружили еще пять. Управляемый Лабораторией реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, Спитцер наблюдал за системой более 1000 часов, прежде чем был выведен из эксплуатации в январе 2020 года. Систему изучали космические телескопы «Хаббл» и «Кеплер», последний из которых также вышел на пенсию.

Все семь планет TRAPPIST-1, которые настолько близко находятся к своей звезде, что уместились бы в пределах орбиты Меркурия, были найдены методом транзита: ученые не могут видеть планеты непосредственно (они слишком малы и тусклы по сравнению со звездой), поэтому они ищут погружения в яркости звезды, создаваемом, когда планеты проходят перед ней.

Повторные наблюдения за падениями звездного света в сочетании с измерениями времени обращения планет позволили астрономам оценить массы и диаметры планет, которые, в свою очередь, использовались для вычисления их плотности. Предварительные расчеты определили, что планеты примерно соответствуют размерам и массе Земли, а следовательно, они также должны быть скалистыми или землеподобными — в отличие от тех, где доминирует газ, таких как Юпитер и Сатурн. В новой работе предлагается наиболее точные измерения плотности для любой группы экзопланет — планет за пределами нашей Солнечной системы.

Господство железа

Чем точнее ученые знают плотность планеты, тем больше ограничений они могут наложить на ее состав. Представьте для примера, что пресс-папье может быть примерно такого же размера, как и бейсбольный мяч, но, как правило, гораздо тяжелее. Вместе ширина и вес показывают плотность каждого предмета, и отсюда можно сделать вывод, что бейсбольный мяч сделан из чего-то легкого (веревки и кожи), а пресс-папье — из чего-то тяжелее (как правило, из стекла или металла).

Плотности восьми планет в нашей собственной Солнечной системе очень различаются. Рыхлые гиганты, в которых преобладает газ — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — больше, но гораздо менее плотные, чем четыре землеподобные мира, поскольку они состоят в основном из более легких элементов, таких как водород и гелий. Даже четыре землеподобных мира демонстрируют определенное разнообразие в своей плотности, которая определяется как составом планеты, так и сжатием благодаря гравитации самой планеты. Отнимая влияние гравитации, ученые могут вычислить так называемую несжатую плотность планеты, и возможно, узнать больше о составе планеты.

Плотность планеты определяется ее составом, а также размерами: гравитация сжимает материал, из которого сделана планета, увеличивая плотность планеты. Несжатая плотность приспосабливается под влияние гравитации и может показать, как сравнить состав различных планет. NASA/JPL-Caltech

Семь планет TRAPPIST-1 имеют похожую между собой плотность — значения отличаются не более чем на 3%. Это делает систему абсолютно отличной от нашей собственной. Разница в плотности между планетами TRAPPIST-1 и Землей и Венерой может показаться небольшой — около 8% - но она значительна в планетарном масштабе. Согласно исследованию, одним из способов объяснить, почему планеты TRAPPIST-1 менее плотные, является то, что они имеют сходный состав Земле, но с меньшим процентом железа — около 21% по сравнению с 32% у Земли.

Кроме того, железо в планетах TRAPPIST-1 может быть насыщенным высоким содержанием кислорода, образуя оксид железа или ржавчину. Дополнительный кислород уменьшил бы плотность планет. Поверхность Марса получает свой красный оттенок от оксида железа, но, как и три землеподобных братьев и сестер, она имеет ядро, состоящее из неокисленного железа. Наоборот, если бы меньшая плотность планет TRAPPIST-1 была вызвана исключительно окисленным железом, то планеты должны были бы быть ржавыми полностью и не могли бы иметь твердых железных ядер.

Эрик Агол, астрофизик из Университета Вашингтона и ведущий автор нового исследования, сказал, что ответ может заключаться в сочетании двух сценариев — меньше общего количества железа и немного окисленного железа.

Команда также изучила, может ли поверхность каждой планеты быть покрыта водой, которая даже легче от ржавчины, и что может изменить общую плотность планеты. Если бы это было так, вода должна составлять около 5% от общей массы внешних четырех планет. Для сравнения, вода составляет менее одного десятого процента общей массы Земли.

Поскольку они расположены слишком близко к своей звезде, чтобы вода в большинстве обстоятельств оставалась жидкостью, трем внутренним планетам TRAPPIST-1 понадобится горячая плотная атмосфера, подобная Венере, таковая, что вода могла бы оставаться связанной с планетой в виде пара. Но Агол говорит, что это объяснение выглядит менее вероятным, поскольку было бы случайностью, чтобы все семь планет имели достаточно воды, чтобы иметь такие подобные плотности.

Три возможных типа внутренностей экзопланет TRAPPIST-1: без ядра, ядро + мантия, океан + мантия + тяжелое ядро. NASA/JPL-Caltech

"Ночное небо заполнено планетами, и только за последние 30 лет мы смогли начать разгадывать их тайны", - сказала Кэролайн Дорн, астрофизик из Цюрихского университета и соавтор работы. "Система TRAPPIST-1 захватывает, поскольку вокруг этой одной звезды мы можем узнать о многообразии скалистых планет в рамках одной системы. И мы можем узнать больше о планете, изучая также ее соседей, поэтому эта система идеально для этого подходит".

Читайте еще интересные новости о космосе.