Орбитальная гармония ограничивает позднее прибытие воды на планеты TRAPPIST-1

Семь планет размером с Землю вращаются вокруг звезды TRAPPIST-1 почти в идеальной гармонии, и американские и европейские исследователи использовали эту гармонию для определения, сколько физического издевательства планеты могли выдержать в своем детстве.

Об этом рассказывают в Университете Райса в Хьюстоне, штат Техас, США.

«После того, как образуются скалистые планеты, их колотят разные вещи», — говорит астрофизик Шон Реймонд из университета Бордо во Франции. «Это называется бомбардировкой, или поздней аккрецией, и нас это беспокоит отчасти потому, что эти удары могут быть важным источником воды и летучих элементов, способствующих жизни».

В исследовании, опубликованном онлайн в журнале Nature Astronomy, Раймонд и его коллеги из проекта CLEVER Planets при Университете Райса и финансируемого НАСА и семи других учреждений использовали компьютерную модель бомбардировочной фазы формирования планет в TRAPPIST-1 для исследования ударов, которые могли выдержать планеты этой системы, не выбиваясь из гармонии.

Ударная история

По словам Раймонда, расшифровка ударной истории планет в нашей Солнечной системе сложна и может показаться безнадежной задачей в удаленных на световые годы системах.

«На Земле мы можем измерить определенные типы элементов и сравнивать их с метеоритами», - сказал Реймонд. «Именно так мы делаем, чтобы попытаться выяснить, сколько всего попало на Землю после того, как она была в основном уже образована».

Но для изучения бомбардировки экзопланет таких инструментов не существует.

«Мы никогда не получим от них камней», - сказал он. «Мы никогда не увидим на них кратеров. Что же мы можем сделать? Вот здесь приходит на помощь особая орбитальная конфигурация TRAPPIST-1. Это своего рода рычаг, за который мы можем потянуть, чтобы установить ограничения».

TRAPPIST-1

Звезда TRAPPIST-1, удаленная от нас примерно на 40 световых лет, намного меньше и холоднее нашего Солнца. Ее планеты названы по алфавиту от b до h в порядке их расстояния от звезды. Время, необходимое для осуществления одного оборота вокруг звезды – в эквиваленте к одному году на Земле – составляет 1,5 суток у планеты b и 19 дней у планеты h. Примечательно, что их орбитальные периоды образуют почти идеальные соотношения, резонансное расположение, похожее на гармоничные музыкальные ноты. Например, за каждые восемь лет на планете b, пять проходит на планете c, три — на планете d, два — на планете е и так далее.

Планеты TRAPPIST-1 по сравнению с Юпитером и его спутниками и отдельно с планетами Солнечной системы. Credit: NASA/JPL-Caltech

«Мы не можем точно сказать, сколько чего-либо попало в любую из этих планет, но благодаря этой особой резонансной конфигурации мы можем установить верхний предел», - сказал Реймонд. «Мы можем сказать: "Здесь может быть не больше этого". И оказалось, что этот верхний предел на самом деле достаточно мал».

«Мы выяснили, что после образования этих планет их бомбило не более чем очень небольшим количеством веществ», – сказал он. «Это круто. Это интересная информация, когда мы думаем о других аспектах планет в системе».

Формирование планет и их бомбардировка

Планеты растут в протопланетных дисках из газу и пыли вокруг новообразованных звезд. Эти диски существуют лишь несколько миллионов лет, и, как сказал Реймонд, предыдущие исследования показали, что резонансные цепи планет, такие как TRAPPIST-1, образуются, когда молодые планеты мигрируют ближе к своей звезде до того, как диск исчезнет. Компьютерные модели показали, что диски могут вывести планеты в резонанс. Реймонд сказал, что резонансные цепи, такие как TRAPPIST-1, должны быть установлены до того, как их диски исчезнут.

В результате планеты TRAPPIST-1 сформировались быстро, примерно за одно десятое время, необходимое для формирования Земли, сказал соавтор исследования Андре Изидора, астрофизик и докторант CLEVER Planets.

CLEVER Planets, возглавляемый соавтором исследования Раджипом Дасгуптой, профессором наук о земных системах Мориса Юинга в Райсе, исследует, как планеты могут получить необходимые элементы для поддержания жизни. В предыдущих исследованиях Дасгупта и его коллеги из CLEVER Planets показали, что значительная часть летучих элементов Земли происходит от удара, образовавшего Луну.

«Если планета формируется рано и она слишком мала, например, как масса Луны или Марса, она не может накопить много газа с диска», - сказал Дасгупта. «Такая планета также имеет гораздо меньше возможностей получить жизненно важные летучие элементы из-за поздних бомбардировок».

Изидора сказал, что так было бы и для Земли, набравшей большую часть своей массы относительно поздно, в том числе примерно 1% от ударов после столкновения, образовавшего Луну.

«Мы знаем, что Земля потерпела, по крайней мере, один гигантский удар после того, как газ (в протопланетном диске) исчез», – сказал он. «Это было событие образования Луны ».

«Что касается системы TRAPPIST-1, у нас есть планеты с массой Земли, которые сформировались рано», - сказал он. «Поэтому одна потенциальная разница по сравнению с образованием Земли состоит в том, что они могли иметь самого начала некоторую водородную атмосферу и никогда не испытывать позднего гигантского удара. И это может многое изменить в эволюции с точки зрения внутренней части планеты, выделения газов, потери летучих веществ и других вещей, влияющих на пригодность для жизни».

Суперземли и субнептуны

Реймонд сказал, что это исследование имеет значение не только для изучения других резонансных планетных систем, но и для более распространенных экзопланетных систем, которые, как считается, начались как резонансные системы.

«Суперземель и субнептунов очень много вокруг других звезд, и предпочтительная идея состоит в том, что они мигрировали внутрь во время этой фазы газового диска, а затем, возможно, имели позднюю фазу столкновений», – сказал Реймонд. «Но во время этой ранней фазы, когда они мигрировали внутрь, мы думаем, что они почти, возможно, повсеместно, имели фазу, когда они были резонансными цепными структурами, такими как TRAPPIST-1. Они просто не сохранились. Позже они стали нестабильными».

Перспективы

Изидора сказал, что один из главных вкладов исследования может произойти спустя много лет, после того, как космический телескоп Джеймса Уэбба от НАСА, Чрезвычайно большой телескоп Европейской южной обсерватории и другие инструменты позволят астрономам непосредственно наблюдать за атмосферой экзопланет.

«Сегодня у нас есть определенные ограничения относительно состава этих планет, например, сколько воды они могут иметь», - сказал Изидоро о планетах, образующихся в резонансной фазе миграции. «Но у нас очень большие погрешности».

В будущем наблюдения позволят лучше ограничивать внутренний состав экзопланет, и знание о поздней истории бомбардировки резонансных планет может быть чрезвычайно полезным.

«Например, если у одной из этих планет много воды, скажем, 20% массовой доли, вода должна быть включена в планеты рано, во время газообразной фазы», - сказал он. «Так что вам придется понять, какой процесс может принести воду на эту планету».

Соавторами исследования также являются Эмелин Больмон и Мартин Турбе из Женевского университета, Каролин Дорн из Цюрихского университета, Франк Селсис из Университета Бордо, Эрик Агол из Вашингтонского университета, Патрик Барт из Университета Сент-Эндрюса, Людмила Кароне из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия, Майкл Гиллон из Льежского университета и Саймон Гримм из Бернского университета.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.