На внешних планетах TRAPPIST-1, вероятно, есть жидкая вода

Три планеты TRAPPIST-1 — TRAPPIST-1e, f и g — находятся в так называемой «обитаемой зоне» своей звезды.

После обнаружения солнечной системы TRAPPIST-1 несколько лет назад она вызвала бурный интерес учёных и общественности. В 2016 году астрономы с помощью Малого телескопа транзитных планет и планетезималей (TRAPPIST) в обсерватории Ла Силла в Чили обнаружили две каменистые планеты на орбите красной карликовой звезды, которая получила название TRAPPIST-1. Затем, в 2017 году, более глубокий анализ обнаружил ещё пять каменистых планет.

Это было замечательное открытие, особенно потому, что до четырёх из них могут находиться на таком расстоянии от звезды, чтобы на их поверхности могла существовать жидкая вода.

Система TRAPPIST-1 по-прежнему привлекает пристальное внимание учёных. Потенциальные землеподобные планеты в обитаемой зоне звезды похожи на магнит для планетологов.

Обнаружение семи таких планет в одной системе — уникальная научная возможность изучить всевозможные взаимосвязанные вопросы о пригодности экзопланет к обитанию. TRAPPIST-1 — красный карлик, а один из самых важных вопросов о пригодности экзопланет для обитания касается красных карликов (М-карликов). Не отталкивают ли эти звёзды и их мощные вспышки атмосферы от своих планет?

Новое исследование, опубликованное в журнале Planetary Science Journal, посвящено изучению атмосферных выбросов на планетах TRAPPIST-1. Его название — «Последствия термогидродинамического ухода атмосферы на планетах TRAPPIST-1». Ведущий автор работы — Меган Гиаллука, аспирантка факультета астрономии и программы астробиологии Вашингтонского университета.

Большинство звёзд в Млечном Пути — это М-карлики. Как показывает TRAPPIST-1, они могут содержать множество земных планет. Крупные планеты размером с Юпитер сравнительно редки вокруг звёзд этого типа.

Изображения семи планет TRAPPIST-1 с их орбитальными периодами, расстояниями от звезды, радиусами и массами в сравнении с земными.

Вполне возможно, что большинство землеподобных планет вращаются вокруг М-карликов. Но одна из известных проблем М-карликов – яркие и мощные вспышки. Хотя М-карлики гораздо менее массивны, чем наше Солнце, их вспышки намного энергичнее, чем всё, что исходит от Солнца. Некоторые вспышки М-карликов могут удвоить яркость звезды всего за несколько минут.

Ещё одна проблема – приливный захват. Поскольку М-карлики излучают меньше энергии, их зоны обитаемости расположены к ним гораздо ближе, чем зоны вокруг звезды главной последовательности, такой как наше Солнце. Это означает, что потенциально пригодные для жизни планеты с гораздо большей вероятностью окажутся в приливном захвате у своих звёзд.

Это создаёт целый ряд препятствий для обитаемости. Одна сторона планеты будет нести основную нагрузку от вспышек и нагреваться, в то время как другая сторона будет вечно тёмной и холодной. Если на планете будет атмосфера, в ней могут возникнуть чрезвычайно мощные ветры.

«Поскольку М-карлики являются наиболее распространёнными звёздами в нашем местном звёздном окружении, вопрос о том, могут ли их планетные системы быть местом обитания жизни, является ключевым в астробиологии и в ближайшем будущем его можно будет проверить наблюдениями, — пишут авторы. — Наземные планетарные объекты, представляющие интерес с точки зрения характеристики атмосферы на М-карликах, могут быть доступны с помощью "Уэбба"», — поясняют они. Они также отмечают, что будущие крупные наземные телескопы, такие как Европейский экстремально большой телескоп и Гигантский Магелланов телескоп, тоже могут помочь, но до их ввода в эксплуатацию ещё много лет.

Это изображение системы TRAPPIST-1, на котором изображены все семь планет.

За красными карликами и их планетами наблюдать легче, чем за другими звёздами и их планетами. Красные карлики маленькие и тусклые, а значит, их свет не так сильно приглушает сигнал планет, как другие звёзды главной последовательности. Но, несмотря на меньшую светимость и малый размер, они создают проблемы для обитаемости.

У М-карликов более длительная фаза предглавной последовательности, чем у других звёзд, и в это время они наиболее яркие. После выхода на главную последовательность у них повышается звёздная активность по сравнению с такими звёздами, как наше Солнце. Эти факторы могут приводить к тому, что атмосферы близлежащих планет будут разрушаться. Даже без вспышек ближайшая к TRAPPIST-1 планета (далее T-1) получает в четыре раза больше радиации, чем Земля.

«В дополнение к эволюции светимости повышенная звёздная активность также увеличивает звёздный XUV M-карликов, что усиливает потерю атмосферы, — пишут авторы. — Это также может затруднить изучение спектров планетарных атмосфер, поскольку в этих случаях возможны ложно-положительные признаки наличия биосигнатур». Ожидается, что у экзопланет вокруг М-карликов будут плотные атмосферы, в которых преобладает абиотический кислород.

Несмотря на все трудности, система T-1 — это прекрасная возможность для изучения М-карликов, выхода из атмосферы и обитаемости скалистых планет. «TRAPPIST-1 — высокоприоритетная цель для общих наблюдений "Уэбба" и наблюдений в гарантированное время», — пишут авторы. «Уэбб» уже наблюдал часть системы T-1, и собранные им данные вошли в данную работу.

В этой работе исследователи смоделировали ранние атмосферы для каждой из планет TRAPPIST-1 (далее T-1), включая различные начальные количества воды, выраженные в земных океанах (ТО). Они также смоделировали различные количества звёздного излучения с течением времени. В моделировании использовались самые последние данные по планетам T-1 и различные треки планетарной эволюции.

В этом исследовании авторы учитывали предсказанное современное содержание воды для каждой из внешних планет, а затем работали в обратном направлении, чтобы понять их начальное содержание воды. На этом рисунке показана «вероятность наличия воды на начальном этапе в количестве (выраженном в ТО), необходимом для воспроизведения предсказанного современного содержания воды для каждой из внешних планет», — пишут авторы. На четырёх внешних планетах изначально должно было быть огромное количество воды по сравнению с Землёй.

Результаты не очень хорошие, особенно для планет, расположенных ближе всего к красному карлику.

«Мы обнаружили, что внутренние планеты T1-b, c и d, скорее всего, высыхают во всех случаях, кроме самых больших показателей начального содержания воды (>60, 50 и 30 TO, соответственно), и подвергаются наибольшему риску полной потери атмосферы из-за близости к звезде-хозяину», — объясняют исследователи. Однако, в зависимости от начального содержания воды, они могут сохранять значительное количество кислорода. Этот кислород может быть ложным признаком наличия биосигнатур.

У внешних планет дела обстоят немного лучше. Они могут сохранять часть воды, если только их начальный уровень воды не был низким — около 1 TO. «Мы обнаружили, что T1-e, f, g и h потеряли, самое большее, примерно 8,0, 4,8, 3,4 и 0,8 TO, соответственно», — пишут они. Вероятно, на этих внешних планетах больше кислорода, чем на внутренних. Поскольку T1-e, f и g находятся в обитаемой зоне звезды, это интригующий результат.

T-1c представляет особый интерес, поскольку в их моделировании он сохраняет наибольшее количество атмосферного кислорода независимо от того, был ли исходный TO высоким или низким.

На этой иллюстрации художника показано, как может выглядеть горячая каменистая экзопланета TRAPPIST-1 c.

Потенциальная обитаемость планет Т-1 — важный вопрос в науке об экзопланетах. Тип звезды, количество каменистых планет и простота наблюдений — всё это ставит её на первое место в списке объектов для наблюдений. Мы никогда по-настоящему не поймём, что такое обитаемость экзопланет, если не сможем понять эту систему. Единственный способ понять её лучше – проводить более тщательные наблюдения.

«Эти выводы мотивируют последующие наблюдения для поиска присутствия водяного пара или кислорода на T1-c и будущие наблюдения за внешними планетами системы TRAPPIST-1, которые могут обладать значительным количеством воды», — пишут авторы в заключении.