Орбитальная гармония ограничивает позднее прибытие воды на планеты TRAPPIST-1

«После образования каменистых планет вещи врезаются в них», – сказал астрофизик Шон Реймонд из Университета Бордо во Франции. «Это называется бомбардировкой или поздней аккрецией, и мы заботимся об этом отчасти потому, что эти удары могут быть важным источником воды и летучих элементов, которые способствуют развитию жизни».

Иллюстрация, показывающая, как может выглядеть система TRAPPIST-1 с выгодной позиции около планеты TRAPPIST-1f (справа). Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.

В исследовании, доступном сегодня в Интернете на Природа Астрономия, Реймонд и его коллеги из проекта CLEVER Planets, финансируемого НАСА Университета Райса, и семи других организаций использовали компьютерную модель фазы бомбардировки планетарного образования в TRAPPIST-1, чтобы исследовать воздействия, которым ее планеты могли бы противостоять, не выбиваясь из гармонии.

По словам Раймонда, расшифровка истории столкновений планет является сложной задачей в нашей солнечной системе и может показаться безнадежной задачей в системах, находящихся на расстоянии световых лет.

«На Земле мы можем измерять определенные типы элементов и сравнивать их с метеоритами», – сказал Раймонд. «Это то, что мы делаем, чтобы выяснить, сколько материала ударилось в Землю после того, как она в основном сформировалась».

Но таких инструментов для изучения бомбардировок экзопланет не существует.

«Мы никогда не получим от них камня», – сказал он. «Мы никогда не увидим на них кратеров. Так что мы можем сделать? Вот где вступает в игру особая орбитальная конфигурация TRAPPIST-1. Это своего рода рычаг, который мы можем потянуть, чтобы ограничить это ».

TRAPPIST-1, находящийся на расстоянии около 40 световых лет от нас, намного меньше и холоднее нашего Солнца. Его планеты названы в алфавитном порядке от b до h в порядке их удаленности от звезды. Время, необходимое для завершения одного обращения вокруг звезды, что эквивалентно одному году на Земле, составляет 1,5 дня на планете b и 19 дней на планете h. Примечательно, что их орбитальные периоды образуют почти идеальное соотношение, резонансное расположение, напоминающее гармоничные музыкальные ноты. Например, за каждые восемь «лет» на планете b пять проходят на планете c, три на планете d, два на планете e и так далее.

«Мы не можем точно сказать, сколько материала попало в любую из этих планет, но из-за этой особой резонансной конфигурации мы можем установить для нее верхний предел», – сказал Раймонд. «Мы можем сказать:« Ничего не могло быть больше, чем это ». И оказывается, что этот верхний предел на самом деле довольно мал.

«Мы выяснили, что после того, как эти планеты сформировались, они не подвергались бомбардировке более чем очень небольшим количеством материала», – сказал он. «Это круто. Это интересная информация, когда мы думаем о других аспектах планет в системе ».

Планеты растут в протопланетных дисках из газа и пыли вокруг новообразованных звезд. Эти диски служат всего несколько миллионов лет, и Реймонд сказал, что предыдущие исследования показали, что резонансные цепочки планет, подобные TRAPPIST-1, образуются, когда молодые планеты мигрируют ближе к своей звезде, прежде чем диск исчезнет. Компьютерные модели показали, что диски могут приводить планеты в резонанс. Раймонд сказал, что считается, что резонансные цепи, подобные TRAPPIST-1, должны быть установлены до того, как их диски исчезнут.

В результате планеты TRAPPIST-1 сформировались быстро, примерно за одну десятую времени, которое потребовалось на формирование Земли, сказал соавтор исследования Райса Андре Изидоро, астрофизик и научный сотрудник CLEVER Planets.

CLEVER Planets, возглавляемая соавтором исследования Радждипом Дасгуптой, профессором науки о системах Земли Мориса Юинга в Райсе, изучает способы, которыми планеты могут приобретать необходимые элементы для поддержания жизни. В предыдущих исследованиях Дасгупта и его коллеги из CLEVER Planets показали, что значительная часть летучих элементов Земли возникла в результате удара, который сформировал Луну.

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

Изидоро сказал, что это могло произойти с Землей, которая относительно поздно набрала большую часть своей массы, в том числе около 1% от ударов после столкновения, связанного с формированием Луны.

«Мы знаем, что Земля пережила по крайней мере одно гигантское столкновение после того, как газ (в протопланетном диске) исчез», – сказал он. «Это было событие формирования луны.

«Что касается системы TRAPPIST-1, у нас есть планеты с массой Земли, которые сформировались рано», – сказал он. «Таким образом, одно различие потенциалов по сравнению с образованием Земли состоит в том, что они с самого начала могли иметь некоторую водородную атмосферу и никогда не испытывали поздних гигантских столкновений. И это может во многом изменить эволюцию с точки зрения внутренней части планеты, выделения газов, нестабильных потерь и других вещей, которые имеют значение для обитаемости ».

Реймонд сказал, что исследование, проведенное на этой неделе, имеет значение не только для изучения других резонансных планетных систем, но и для гораздо более распространенных экзопланетных систем, которые, как считалось, возникли как резонансные системы.

«Суперземли и суб-Нептуны очень распространены вокруг других звезд, и преобладающая идея состоит в том, что они мигрировали внутрь во время фазы газового диска, а затем, возможно, имели позднюю фазу столкновений», – сказал Раймонд. «Но на той ранней стадии, когда они мигрировали внутрь, мы думаем, что в значительной степени – возможно повсеместно – была фаза, когда они были резонансными цепными структурами, такими как TRAPPIST-1. Они просто не выжили. Позже они стали нестабильными ».

Изидоро сказал, что один из основных вкладов в исследование может появиться через годы, после того как космический телескоп НАСА Джеймс Уэбб, Чрезвычайно большой телескоп Европейской южной обсерватории и другие инструменты позволят астрономам напрямую наблюдать за атмосферой экзопланет.

«Сегодня у нас есть некоторые ограничения на состав этих планет, например, сколько воды у них может быть», – сказал Изидоро о планетах, которые формируются в резонансной фазе миграции. «Но у нас очень большие планки ошибок».

В будущем наблюдения будут лучше ограничивать внутренний состав экзопланет, и знание истории поздних бомбардировок резонансных планет может быть чрезвычайно полезным.

«Например, если на одной из этих планет много воды, скажем, с массовой долей 20%, вода, должно быть, была включена в планеты рано, во время газовой фазы», ​​- сказал он. «Итак, вам нужно будет понять, какой процесс может принести эту воду на эту планету».