Европейская Южная обсерватория (ESO) сообщила о результатах первой попытки проанализировать состав землеподобных планет из системы TRAPPIST-1. Ученые пришли к выводу, что все семь планет, обращающихся вокруг карликовой звезды TRAPPIST-1 состоят преимущественно из каменных пород, а воды на некоторых из них может быть даже больше, чем на Земле. Плотности этих планет, которые теперь известны с гораздо большей точностью, чем прежде, свидетельствуют о том, что у некоторых из них вода может составлять до 5 % их массы, то есть примерно в 250 раз больше, чем количество воды в океанах Земли. Более горячие планеты, расположенные вблизи своей звезды, вероятно, окружены плотной атмосферой из водяного пара, а более далекие покрыты льдом. Четвертая от центральной звезды планета по своим размерам, плотности и количеству света, которое она получает, больше всего похожа на Землю. Из семи планет системы она, по-видимому, в наибольшей степени является каменной и потенциально может обладать запасами воды.
Планетная система тусклого красного карлика TRAPPIST-1, находящегося всего в 40 световых годах от Земли, была обнаружена в 2016 году с помощью телескопа TRAPPIST-Юг в обсерватории ESO Ла Силья. Наблюдения, выполненные в следующем году на наземных телескопах, в том числе на Очень Большом Телескопе ESO, а также на Космическом телескопе Спитцера, выявили в этой системе не менее семи планет, близких по размеру к Земле. Планеты получили обозначения TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g и h, в порядке увеличения расстояния от центральной звезды.
После того, как с наземными телескопами, в том числе с новым инструментом SPECULOOS в обсерватории ESO Параналь, и с Космическими телескопами Спитцера и Кеплера были выполнены новые наблюдения системы, группа исследователей во главе с Симоном Гриммом (Simon Grimm) из Бернского университета применила к полученным данным сложные методы численного моделирования и определила плотности планет системы TRAPPIST-1 с гораздо большей точностью, чем это было сделано ранее. Для расчета плотности необходимо знать размеры и массу планет. Размеры неплохо определяются методом транзитов, которыми были обнаружены эти планеты. А вот массу узнать значительно сложнее, так как масса планеты, которая движется по определенной орбите, может быть разной, и прямого способа оценки массы по параметрам орбиты не существует. Но в системе с большим количеством планет есть другая возможность определения массы: более массивные планеты возмущают орбиты своих соседей в большей степени, чем легкие, что влияет на моменты транзитов.
Группа Симона Гримма по этим трудно измеримым и очень слабым эффектам оценила наиболее вероятные массы всех семи, использовав огромное количество наблюдений моментов транзита, сложнейшие методы компьютерной обработки данных и изощренные методы моделирования. Симон Гримм рассказывает: «Планеты системы TRAPPIST-1 расположены так близко друг к другу, что оказывают друг на друга сильное гравитационное воздействие, и поэтому моменты их прохождений по диску материнской звезды – транзитов – несколько сдвигаются. Эти сдвиги зависят от масс планет, от расстояний между ними и от других орбитальных параметров. В нашей компьютерной модели мы изменяли параметры орбит планет до тех пор, пока вычисленные моменты транзитов не совпали с наблюдаемыми, а из этого нашли и массы планет».
Член исследовательской группы Эрик Агол (Eric Agol) так комментирует значение выполненной работы: «Одна из целей исследований экзопланет – установить состав тех из них, которые напоминают Землю по размерам и температуре. После открытия системы TRAPPIST-1 технические возможности интрументов ESO в Чили и орбитального Космического телескопа Спитцера позволили достичь этой цели. Мы впервые узнали, из чего состоят землеподобные экзопланеты!».
Измеренные плотности в сочетании с моделями состава планет приводят к заключению, что поверхности семи планет системы TRAPPIST-1 – не просто голая каменная пустыня. По-видимому, они содержат значительное количество летучих веществ, вероятно, воды, количество которой у некоторых из них достигает 5 % массы планеты. Это очень много – для сравнения, на Земле вода составляет всего около 0,02 % ее массы! Использованные модели допускают существование и других летучих соединений, таких, как углекислота. Однако, именно вода в виде пара, жидкости или льда лучше всего подходит на роль доминирующего компонента на поверхности планет: она является наиболее часто встречающимся источником летучих соединений в протопланетных дисках с таким же химическим составом, как у Солнца.
«Конечно, плотность, хоть это и важная характеристика планеты, ничего не говорит о ее обитаемости. И все же, наша работа – большой шаг вперед на пути исследования возможности существования жизни на этих планетах», – говорит соавтор работы Брис-Оливье Демори (Brice-Olivier Demory) из Бернского университета.
ESO/M. Kornmesser
TRAPPIST-1b и c, самые близкие к центральному светилу планеты системы, скорее всего, имеют каменное ядро и окружены гораздо более плотными атмосферами, чем Земля. А вот TRAPPIST-1d – самая легкая: ее масса всего около 30% земной, и ученые сомневаются, что у нее может быть заметная атмосфера, океаны или ледяной покров.
Астрономы с удивлением обнаружили, что TRAPPIST-1e – единственная из всех планет системы, плотность которой несколько выше, чем у Земли. Это может означать, что у нее, возможно, имеется более плотное железное ядро, что она не обязательно окружена плотной атмосферой, что на ней нет океанов или ледяного щита. Загадочным образом TRAPPIST-1e оказывается значительно более «каменной», чем все остальные планеты системы. По размерам, плотности и количеству энергии, которую она получает от своей материнской звезды, эта планета больше всех остальных похожа на Землю.
TRAPPIST-1f, g и h настолько далеки от центральной звезды, что вода на их поверхности должна замерзать. Если у них есть атмосферы, они вряд ли содержат тяжелые молекулы, которыми богата земная атмосфера, как, например, углекислый газ. «Интересно, что в этой системе планеты с самой большой плотностью – не самые близкие к своему светилу, и что на более холодных планетах не может быть плотной атмосферы», – замечает Каролина Дорн (Caroline Dorn), соавтор работы из Цюрихского университета.
Планетная система TRAPPIST-1, несомненно, останется в центре внимания исследователей и будет интенсивно изучаться с помощью наземных и космических инструментов, в том числе с Чрезвычайно Большим Телескопом ESO и с Космическим телескопом Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA.
Астрономы усиленно ищут планеты и вокруг других слабых красных звезд, похожих на TRAPPIST-1. Член группы Мишель Гийон (Michaël Gillon) говорит: «Наша работа – свидетельство огромного интереса к исследованиям близлежащих ультра-холодных карликов — таких, как TRAPPIST-1 — на предмет обнаружения транзитов экзопланет земного типа. Именно эта задача является основной для проекта SPECULOOS, новой программы поиска экзопланет, которая сейчас запускается в обсерватории ESO Параналь в Чили». Комплекс обзорных телескопов SPECULOOS сейчас готовится к вводу в действие в обсерватории ESO на Паранале.
Результаты исследования представлены в статье, которая публикуется в журнале Astronomy & Astrophysics.
