Красный карлик TRAPPIST-1 является домом для самой большой группы планет размером примерно с Землю, когда-либо обнаруженных в одной звездной системе. Эти семь скалистых планет, расположенных на расстоянии около 40 световых лет от нас, являются примером огромного разнообразия планетных систем, которые заполняют Вселенную.
Новое исследование показывает, что планеты TRAPPIST-1 имеют очень похожие плотности. Это может означать, что все они содержат примерно одинаковое соотношение материалов, таких как железо, кислород, магний и кремний.
Но если это так, это соотношение должно заметно отличаться от земного: планеты TRAPPIST-1 примерно на 8% менее плотны, чем они были бы, если бы они имели такой же состав, как наша планета. Основываясь на этом заключении, авторы статьи выдвинули гипотезу, что несколько различных смесей ингредиентов могут дать планетам TRAPPIST-1 измеренную плотность.
Некоторые из этих планет известны с 2016 года, когда ученые объявили, что они обнаружили три планеты возле звезды TRAPPIST-1 с помощью телескопа Transiting Planets and Planetesimals (TRAPPIST) в Чили.
Последующие наблюдения космического телескопа НАСА Спитцер в сотрудничестве с наземными телескопами подтвердили две из исходных планет и обнаружили еще пять. Телесокп Спитцер наблюдал за системой более 1000 часов, прежде чем он был выведен из эксплуатации в январе 2020 года. Космические телескопы НАСА Хаббл и Кеплер также изучали систему.
Все семь планет TRAPPIST-1 находятся так близко к своей звезде, что они вписываются в орбиту Меркурия. Они были обнаружены с помощью метода транзита: ученые не могут видеть планеты напрямую (они слишком малы и тусклые по сравнению с звездами), поэтому они ищут провалы в яркости звезды, возникающие при проходе планет перед ней.
Неоднократные наблюдения за падениями звездного света в сочетании с измерениями времени обращения планет по орбите позволили астрономам оценить массы и диаметры планет, которые, в свою очередь, использовались для расчета их плотности.
Предыдущие расчеты определили, что планеты примерно равны размеру и массе Земли и, следовательно, также должны быть каменистыми или земными, в отличие от планет с преобладанием газа, таких как Юпитер и Сатурн. Новая статья предлагает самые точные измерения плотности для любой группы экзопланет – планет за пределами нашей солнечной системы.
Чем точнее ученые знают плотность планеты, тем больше ограничений они могут наложить на ее состав.
Плотность восьми планет в нашей солнечной системе сильно различается. Гиганты с преобладанием газа – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – большие, но они гораздо менее плотны, чем четыре планеты земного типа, потому что они состоят в основном из более легких элементов, таких как водород и гелий.
Даже четыре каменистые планеты солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) демонстрируют некоторое разнообразие плотности, которая определяется как составом планеты, так и сжатием из-за гравитации самой планеты. Вычитая влияние гравитации, ученые могут вычислить так называемую несжатую плотность планеты и потенциально узнать больше о ее составе.
У семи планет TRAPPIST-1 почти одинаковые плотности – значения различаются не более чем на 3%. Это отличает систему от нашей.
Разница в плотности между планетами TRAPPIST-1 и Землей и Венерой может показаться небольшой – около 8%, – но в планетарном масштабе она значительна. Например, один из способов объяснить, почему планеты TRAPPIST-1 менее плотные, состоит в том, что они имеют такой же состав, что и Земля, но с меньшим процентным содержанием железа – около 21% по сравнению с 32% на Земле, согласно исследованию.
На этой иллюстрации показаны три возможных внутренней части семи скалистых экзопланет в системе TRAPPIST-1, основанные на точных измерениях плотности планет. В целом миры TRAPPIST-1 имеют удивительно схожую плотность, что позволяет предположить, что они могут иметь одинаковое соотношение общих планетообразующих элементов. Плотность планет немного ниже, чем у Земли или Венеры, что может означать, что они содержат незначительно меньше железа (очень плотный материал) или больше материалов с низкой плотностью, таких как вода или кислород. В первой модели (слева) Внутренняя часть планеты состоит из железа, смешанного с более легкими элементами, такими как кислород. Здесь нет твердого железного ядра, как в случае с Землей и другими твердыми планетами в нашей солнечной системе. Вторая модель показывает общую композицию, аналогичную Земле, в которой самые плотные материалы осели в центре планеты, образуя богатое железом ядро, пропорционально меньшее, чем ядро Земли. Вариант показан на третьей панели, где больше и плотнее Ядро может быть уравновешено обширным океаном низкой плотности на поверхности планеты. Однако этот сценарий может быть применен только к внешним четырем планетам в системе TRAPPIST-1. На внутренних трех планетах любые океаны испарятся из-за более высоких температур возле их звезды, и требуется другая модель состава. Поскольку все семь планет имеют удивительно похожие плотности, более вероятно, что все планеты имеют одинаковый основной состав, что делает этот четвертый сценарий маловероятным, но не исключенным. Высокоточные измерения массы и диаметра экзопланет в системе TRAPPIST-1 позволили астрономам вычислить общую плотность этих миров с беспрецедентной степенью точности в исследованиях экзопланет. Измерения плотности – важный первый шаг в определении состава и структуры экзопланет, но они должны интерпретироваться через призму научных моделей планетарной структуры.
В качестве альтернативы железо на планетах TRAPPIST-1 может быть насыщено кислородом, образуя оксид железа или ржавчину. Дополнительный кислород уменьшил бы плотность планет.
Поверхность Марса приобретает красный оттенок из-за оксида железа, но, как и другие три планеты земного типа, он имеет ядро, состоящее из неокисленного железа. Напротив, если бы более низкая плотность планет TRAPPIST-1 была вызвана полностью окисленным железом, планеты должны были бы быть полностью ржавыми и не иметь твердых железных ядер.
Ученые говорят, что ответом может быть комбинация двух сценариев – меньше железа в целом и немного окисленного железа.
Астрономы также изучили, может ли поверхность каждой планеты быть покрыта водой, которая даже легче, чем оксид железа, и которая может изменить общую плотность планеты. Если бы это было так, вода должна была бы составлять около 5% общей массы четырех внешних планет. Для сравнения, вода составляет менее одной десятой процента от общей массы Земли.
Поскольку они расположены слишком близко к своей звезде, чтобы вода могла оставаться жидкостью при большинстве обстоятельств, трем внутренним планетам TRAPPIST-1 потребуется горячая и плотная атмосфера, подобная Венере, чтобы вода могла оставаться связанной с планетой в виде пара.
Но ученые говорят, что это объяснение кажется менее вероятным, потому что было бы совпадением, если бы на всех семи планетах было достаточно воды, чтобы иметь такую одинаковую плотность.
Исследование было опубликовано в Planetary Science Journal.
Источник: