7 скелястих планет системи TRAPPIST-1 можливо зроблені з однакового матеріалу

Точні вимірювання показують, що екзопланети мають надзвичайно подібні щільності, що надає підказки щодо їх складу.

Про це розповідають в Лабораторії реактивного руху НАСА.

Зірка-червоний карлик TRAPPIST-1 є домівкою для планет приблизно земного розміру — найбільшої групи з коли-небудь виявлених в одній зоряній системі. Розташовані приблизно за 40 світлових років, ці сім скелястих братів та сестер є прикладом величезного різноманіття планетних систем, які, ймовірно, заповнюють Всесвіт.

Нове дослідження, опубліковане 22 січня в “Planetary Science Journal”, показує, що планети системи TRAPPIST-1 мають надзвичайно подібні щільності. Це може означати, що всі вони містять приблизно однакове співвідношення матеріалів, з яких, як вважається, складається більшість скелястих планет — це залізо, кисень, магній та кремній. Але якщо воно так, це співвідношення повинно суттєво відрізнятися від земного: планети TRAPPIST-1 приблизно на 8% менш щільні, ніж вони були б, якби мали такий самий склад, як у нашої рідної планети. Ґрунтуючись на цьому висновку, автори наукової роботи висунули гіпотезу, що декілька різних сумішей інгредієнтів могли б надати планетам TRAPPIST-1 виміряну щільність.

Деякі з цих планет відомі з 2016 року, коли вчені оголосили, що виявили три планети навколо зірки TRAPPIST-1 за допомогою “Малого телескопу для спостереження за транзитами планет та планетезималей” (TRAPPIST) в Чилі. Подальші спостереження, здійснені за допомогою виведеного з експлуатації космічного телескопа Спітцера, у співпраці з наземними телескопами підтвердили дві первинні планети та виявили ще п’ять. Керований Лабораторією реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії, Спітцер спостерігав за системою більше 1000 годин, перш ніж був виведений з експлуатації в січні 2020 року. Систему вивчали також космічні телескопи "Хаббл" і "Кеплер", останній з яких також вийшов на пенсію.

Всі сім планет TRAPPIST-1, які настільки близько знаходяться до своєї зірки, що вмістилися б в межах орбіти Меркурія, були знайдені методом транзиту: вчені не можуть бачити планети безпосередньо (вони занадто малі та тьмяні у порівнянні із зіркою), тому вони шукають занурення в яскравості зірки, створюваному, коли планети проходять перед нею.

Повторні спостереження за падіннями зоряного світла в поєднанні з вимірами часу обертання планет дозволили астрономам оцінити маси і діаметри планет, які, в свою чергу, використовувались для обчислення їх щільності. Попередні розрахунки визначили, що планети приблизно відповідають розмірам та масі Землі, а отже, вони також повинні бути скелястими або землеподібними — на відміну від тих, де домінує газ, таких як Юпітер і Сатурн. У новій роботі пропонується найбільш точні вимірювання щільності для будь-якої групи екзопланет — планет за межами нашої Сонячної системи.

Панування заліза

Чим точніше вчені знають щільність планети, тим більше обмежень вони можуть накласти на її склад. Уявіть для прикладу, що прес-пап'є може бути приблизно такого ж розміру, як і бейсбольний м'яч, але, як правило, набагато важчим. Разом ширина та вага показують щільність кожного предмета, і звідси можна зробити висновок, що бейсбольний м’яч зроблений з чогось легшого (мотузки та шкіри), а прес-пап'є — з чогось важчого (як правило, зі скла або металу).

Щільності восьми планет у нашій власній Сонячній системі дуже різняться. Пухкі гіганти, в яких переважає газ — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — більші, але набагато менш щільні, ніж чотири землеподібні світи, оскільки вони складаються в основному з більш легких елементів, таких як водень та гелій. Навіть чотири землеподібні світи демонструють певну різноманітність у своїй щільності, яка визначається як складом планети, так і стисненням завдяки гравітації самої планети. Віднімаючи вплив гравітації, вчені можуть обчислити так звану нестиснену щільність планети, і можливо, дізнатися більше про склад планети.

Щільність планети визначається її складом, а також розмірами: гравітація стискає матеріал, з якого зроблена планета, збільшуючи щільність планети. Нестиснута щільність прилаштовуєтсья під вплив гравітації і може показати, як порівняти склад різних планет. NASA/JPL-Caltech

Сім планет TRAPPIST-1 мають схожу між собою щільність — значення відрізняються не більше ніж на 3%. Це робить систему абсолютно відмінною від нашої власної. Різниця в щільності між планетами TRAPPIST-1 та Землею і Венерою може здатися невеликою — близько 8% — але вона значна в планетарному масштабі. Згідно з дослідженням, одним із способів пояснити, чому планети TRAPPIST-1 менш щільні, є те, що вони мають подібний склад до Землі, але з меншим відсотком заліза — близько 21% порівняно з 32% у Землі.

Крім того, залізо в планетах TRAPPIST-1 може бути насиченим високим вмістом кисню, утворюючи оксид заліза або іржу. Додатковий кисень зменшив би щільність планет. Поверхня Марса отримує свій червоний відтінок від оксиду заліза, але, як і три землеподібні брати і сестри, вона має ядро, яке складається з неокисленого заліза. Навпаки, якби нижча щільність планет TRAPPIST-1 була спричинена виключно окисленим залізом, то планети повинні були б бути іржавими повністю і не могли б мати твердих залізних ядер.

Ерік Агол, астрофізик з Університету Вашингтона та провідний автор нового дослідження, сказав, що відповідь може полягати у поєднанні двох сценаріїв — менше загальної кількості заліза та трохи окисленого заліза.

Команда також вивчила, чи може поверхня кожної планети бути покрита водою, яка навіть легше від іржі, і що може змінити загальну щільність планети. Якби це було так, вода мала б становити близько 5% від загальної маси зовнішніх чотирьох планет. Для порівняння, вода становить менше одного десятого відсотка загальної маси Землі.

Оскільки вони розташовані занадто близько до своєї зірки, щоб вода в більшості обставин залишалася рідиною, трьом внутрішнім планетам TRAPPIST-1 знадобиться гаряча щільна атмосфера, подібна до Венери, така, що вода могла б залишатися пов'язаною з планетою у вигляді пари. Але Агол каже, що це пояснення виглядає менш вірогідним, оскільки було б випадковістю, щоб усі сім планет мали достатньо води, щоб мати такі подібні щільності.

Три можливі типи нутрощів екзопланет TRAPPIST-1: без ядра, ядро + мантія, океан + мантія + важке ядро. NASA/JPL-Caltech

"Нічне небо заповнене планетами, і лише за останні 30 років ми змогли почати розгадувати їх таємниці", - сказала Керолайн Дорн, астрофізик з Цюріхського університету і співавтор роботи. “Система TRAPPIST-1 захоплює, оскільки навколо цієї однієї зірки ми можемо дізнатись про різноманіття скелястих планет в рамках однієї системи. І ми можемо дізнатися більше про планету, вивчаючи також її сусідів, тому ця система ідеально для цього підходить”.

Читайте ще цікаві новини про космос.