О чем рассказало открытие новых экзопланет в системе TRAPPIST

О чем рассказало открытие новых экзопланет в системе TRAPPIST-1

Спустя день после внеочередной пресс-конференции NASA, на которой представители американского космического агентства объявили об открытии новых землеподобных планет (ни словом, кстати, не упомянув об огромном вкладе европейских телескопов), мы решили подробно написать об этом событии, по возможности не используя слова «сенсация» или «впервые в истории человечества». Все-таки это открытие не настолько грандиозно, как регистрация гравитационных волн в прошлом году, хотя все равно большой шаг вперед — прежде всего, в понимании процессов формирования планет у звезд разного типа, изучении химического состава планетных систем, сравнении характеристик нашей Солнечной системы и все новых и новых открываемых систем у других звезд. Так что четыре новые планеты у звезды TRAPPIST-1 — действительно повод собрать экстренную пресс-конференцию и даже завести собственный сайт.
Итак, что же случилось? Если говорить вкратце, то у красного карлика 2MASS J23062928-0502285 (его второе название TRAPPIST-1) обнаружили 4 новых экзопланеты, по размерам, плотности и предполагаемой температуре поверхности напоминающих Землю или Марс. А теперь поясним каждое слово этого предложения.

Откуда у звезды двойное название?

Почему у звезды два названия и как все-таки правильно: 2MASS J23062928-0502285 или TRAPPIST-1? Дело в том, что по современным правилам название объекту присваивается по имени телескопа или программы наблюдений, которая его открыла. Звезда из созвездия Водолея была обнаружена во время проведения обзора всего неба в инфракрасном диапазоне в рамках программы 2MASS в конце 1990-х годов. Ее идентифицировали как ничем не примечательный красный карлик спектрального класса М8 — подобных объектов в каталоге 2MASS сейчас более 500 миллионов — и больше не беспокоили несколько лет. Пока в 2015 году длительные наблюдения на телескопе TRAPPIST не привели к обнаружению трех планет, вращающихся вокруг этой звезды. После этого, чтобы выделить ее из миллионов подобных, ей дали дополнительное имя — TRAPPIST-1, то есть первая звезда с экзопланетами, обнаруженная этим телескопом.

Что за странное название у телескопа? Это, конечно, наукоемкая аббревиатура, которая расшифровывается как Transiting Planetsand Planetesimals Small Telescope, то есть «Малый телескоп по поиску транзитных планет и планетезималей», но бельгийцы, установившие его в обсерватории Ла-Силья в Чили, не скрывают, что это еще и оммаж знаменитому монастырскому элю, который издавна варят в их стране. Телескоп этот, кстати, совсем небольшой, диаметр его главного зеркала составляет всего 60 сантиметров, — столько же, сколько, например, и на наблюдательной станции Маяки под Одессой. Построен он по схеме Ричи-Кретьена (как телескопы «Хаббл» или «Спитцер») — это позволяет ему без искажений получать снимки больших участков неба (например, всю поверхность Луны за один раз). Кроме того, присутствие всего двух отражающих поверхностей практически не ослабляет свет и позволяет наблюдать даже за очень тусклыми объектами (в популярных у астрономов-любителей телескопах Шмидта или Максутова установлено не менее четырех отражающих или преломляющих поверхности). Это важно, потому что основное назначение телескопа TRAPPIST — поиск комет, экзопланет, наблюдение за малыми телами Солнечной системы (например, телескоп изучал карликовые планеты Эрида и Макемаке). Телескоп этот роботизированный, управляется прямо из университета Льежа в Бельгии.

Что такое транзитный метод?

Как были открыты первые три тела у звезды TRAPPIST-1? Транзитным методом, который используют большинство охотников за экзопланетами, например телескоп «Кеплер». Метод заключается в слежении за видимым блеском звезды (поскольку заранее неизвестно, у какой звезды есть планеты, лучше всего тут подходят телескопы с широком углом обзора, именно такие как TRAPPIST). Если у звезды есть планета и плоскость ее орбиты параллельна линии зрения телескопа (то есть мы видим орбиту «с ребра»), то рано или поздно, по мере обращения по орбите, планета закроет собой часть звезды и для нас она станет чуть тусклее. Это до сих пор самый продуктивный метод: на 24 февраля 2017 года с его помощью открыто 2707 из 3453 экзопланет. Но у него есть и свои недостатки. Помимо уже упомянутого ограничения на наклон орбиты, он не позволяет определить многие важные параметры, например вытянутость орбиты. Кроме того, если экзопланета находится далеко от звезды (а значит, движется по орбите медленно), то телескоп должен следить за этим участком неба очень долго, чтобы ее заметить. Если инопланетяне вдруг попытаются обнаружить все девять планет Солнечной системы, то им придется следить за нами не меньше 160 лет, и все равно это даст им только один сигнал от Нептуна.

Простой на словах, метод требует очень тщательных наблюдений, а также алгоритмов для фильтрации изменения видимого блеска звезды, не связанного с экзопланетами (например, вызванного турбулентностью в атмосфере Земли).

Тем не менее, в случае с системой TRAPPIST-1 это не стало помехой — наблюдения, проводимые с 2013 года, позволили зарегистрировать многочисленные периодические изменения блеска звезды, которые не могли быть вызваны никакими другими причинами, кроме как прохождением экзопланет по ее диску.

Как обнаружили новые экзопланеты?

Как можно обнаружить сразу четыре новые экзопланеты у, казалось бы, уже хорошо изученной звезды? Дело в том, что после открытия первых трех планет команда астрономов под руководством Михаэля Жийона получила наблюдательное время на Очень большом телескопе в Чили (да-да, он так и называется: VeryLargeTelescope) и уже после публикации статьи в 2016 году обнаружили, что сигнал, который они изначально приняли за прохождение планеты TRAPPIST-1d (каждая новая открытая планета получает название звезды-хозяйки и следующую незанятую букву латинского алфавита начиная с «b»), на самом деле является наложением сигналов сразу от трех планет. Это было настолько неожиданно для научного сообщества, что команде выделили наблюдательное время на нескольких крупнейших мировых телескопах, включая 20 дней (это очень много!) непрерывного использования космического телескопа «Спитцер». Работа таких гигантов, как двухметровый Ливерпульский телескоп на острове Пальма, 3,8-метровый телескоп UKIRT на Гавайях, четырехметровый телескоп Вильяма Гершеля на Канарских островах, совместно с рядом менее крупных телескопов дала несколько новых сигналов от неизвестных объектов, проходящих по диску звезды и частично затмевающих ее. Но именно 20 дней работы «Спитцера» в сентябре 2016 года дали 34 новых сигнала, которые позволили безошибочно установить существование трех новых планет — всего их оказалось шесть. Более того, изначальное наложение сигналов оказалось не случайным — орбиты этих планет находятся в резонансе. Это значит, что время оборота двух соседних планет соотносится как два целых числа: 8/5 для первых двух планет, 5/3 для второй и третьей, 3/2, 3/2 и 4/3 для последующих трех пар.

Эти закономерности, как отмечают авторы, указывают на то, что планеты, скорее всего, сформировались в едином газопылевом облаке на большем удалении от звезды и постепенно, теряя угловой момент, мигрировали на ближние орбиты. Подобные теории были выдвинуты более десяти лет назад, сейчас они хорошо проработаны, и наблюдения в системе TRAPPIST-1 отлично согласуются с предсказаниями. Нечто подобное, например, должно было происходить и со спутниками Юпитера — и МихаэлЖийон подчеркивает в статье, что масса TRAPPIST-1 во столько же раз больше массы всех планет, во сколько Юпитер больше массы всех своих спутников.

Действительно, считается, что Европа, Ио, Каллисто и Ганимед также образовались из плоского диска, состоявшего из пыли и газа, который окружал молодой Юпитер. Таким образом, изучение газового гиганта, находящегося в нашей Солнечной системе, и планеты, расположенной в 40 световых годах, поможет уточнить фундаментальные законы формирования небесных тел.

Отдельно стоит сказать,что «Спитцер» увидел еще один сигнал — однажды на 75 минут TRAPPIST-1 стал тусклее на 0,35 процента, и никакие уже известные планеты не могли быть тому причиной.

По мнению астрофизиков, это говорит о присутствии еще одной, седьмой планеты. На момент пресс-конференции ни один из задействованных телескопов не смог зарегистрировать сигнал второго прохождения, поэтому о параметрах орбиты и планеты приходится судить именно по этим двум числам — время затмения дает скорость движения планеты по орбите (и, как следует из законов Кеплера, радиус орбиты), а снижение видимого блеска звезды помогает примерно установить размеры этой седьмой планеты.

Из чего состоят новые экзопланеты?

Теперь, узнав количество планет, их орбиты и примерные радиусы, можно ли сказать что-то о составе планет — из чего они состоят, есть ли на них вода? Для этого необходимо знать массу каждой планеты. Выше мы рассказали, что напрямую определить ее транзитный метод не позволяет. Однако с системой TRAPPIST-1 нам повезло: все ее планеты располагаются так близко друг к другу (все их орбиты лежат намного ближе к звезде, чем орбита Меркурия к Солнцу), что они гравитационно взаимодействуют друг с другом, то ускоряя, то замедляя свое движение по орбитам. Это проявилось в том, что каждая планета затмевает звезду на разные промежутки времени. Во время наблюдений разница в прохождении одной и той же планеты по диску звезды доходила до 30 минут. Это для орбит, которые в отсутствие возмущений остаются неизменными миллиарды лет! Подобные вариации времени транзита помогли ученым построить аналитические и численные решения и рассчитать наиболее вероятные массы планет. Надежность этих методов сильно зависит от количества измерений, поэтому по мере накопления новых сигналов значения масс будут уточняться, но пока все они находятся в диапазоне от половины до полутора масс Земли.

Сравнение размеров орбит юпитерианских лун, системы TRAPPIST-1 и Солнечной системы (она не в масштабе с остальными, и поэтому не видно, что все обнаруженные экзопланеты комфортно расположились бы внутри орбиты Меркурия).

Зная массу и размеры планеты, можно вычислить ее плотность, а значит, рассуждать о том, из чего она сделана. Понятно, что погрешности тут велики, но похоже, что у пяти планет плотность отличается от Земной не более чем на 20 процентов. Это значит, что они должны быть каменистыми и, вероятно, могут содержать воду. Вода не настолько экзотическое соединение, как может показаться, — ее обнаруживали на поверхности комет и астероидов, прилетавших к нам с задворок Солнечной системы. Поэтому она вполне может оказаться и в составе планет, которые, как мы помним, сформировались на удалении от звезды TRAPPIST-1. Доказательств существования именно воды на этих планетах у нас сейчас нет, но хочется предостеречь читателя от необоснованного скепсиса: гипотезы ученых взяты не с потолка, а построены по итогам использования моделей со множеством входных параметров. Например, была измерена способность планет отражать и переизлучать падающий на них свет от звезды — это тоже косвенно указывает на состав планеты и наличие на ней атмосферы.

Сравнение плотностей обнаруженных экзопланет (цветные точки) с плотностями планет Солнечной системы (серые точки). По вертикали отложен радиус планет, по горизонтали — их масса. Видно, что планеты системы TRAPPIST-1 могут иметь структуру, похожую на Землю, Венеру или Марс.

Однако стоит обратить внимание на погрешность измерений (горизонтальные цветные линии) — они весьма существенны и не позволяют уверенно говорить о составе планет.

Похож ли их климат на земной?

А вот теперь можно и о климате. Уникальность системы в том, что шесть, а может, и все семь планет попадают в зону обитаемости — условный диапазон расстояний от звезды, на котором она прогревает планету настолько, чтобы там могла существовать незамерзшая вода. Скорее всего, все планеты испытали приливной захват со стороны TRAPPIST-1, то есть совершают один оборот вокруг своей оси одновременно с оборотом вокруг звезды. Это значит, что, как и Луна к Земле, они все время повернуты к ней одной стороной, на которой температура всегда выше, чем на другой, темной стороне. Теоретические вычисления, выполненные различными группами, изучающими экзопланеты, предполагают, что это не должно являться помехой для существования жидкой воды, — при наличии достаточно плотной атмосферы, тектонической активности и единого океана тепло будет эффективно переноситься на темную сторону планеты, не создавая сильных перепадов температуры.

Профессор кафедры теоретической механики МФТИ Владислав Викторович Сидоренко поясняет, как это может происходить: «То, что орбиты планет в TRAPPIST-1 имеют малые радиусы, способствует гравитационному захвату — установлению такого режима движения, когда планета повернута к звезде одной и той же стороной. В таком случае приливные деформации планеты определяются эксцентриситетом ее орбиты. И хотя эксцентриситеты планет в TRAPPIST-1 невелики, в сочетании с близким положением к звезде возникают мощные приливные деформации, которые могут приводить к выделению значительного количества тепла в недрах планеты, которого может оказаться достаточно для поддержания заметной геологической активности». Получается, что малый радиус орбит не только создает проблему переноса тепла с одной стороны гравитационно-захваченной планеты на другую, но и сам же может частично ее решить.

Есть ли жизнь на экзопланетах?

Если говорить про еще более гипотетическую вероятность наличия жизни на любой из планет этой системы, то стоит рассказать о самой звезде TRAPPIST-1. Это очень тусклый красный карлик, массы которой едва хватает на то, чтобы поддерживать термоядерную реакцию в самом центре своего ядра. Температура на поверхности звезды в два раза ниже солнечной, излучает она по большей части в инфракрасном диапазоне (именно поэтому была открыта ИК-обзором 2MASS, а не одним из многочисленных более ранних оптических обзоров). Тем не менее, близость планет к звезде частично компенсирует недостаток ее излучения и на их поверхность приходится достаточно тепла, чтобы, как мы уже говорили, вода (если она там присутствует) оставалась жидкой. Проблемы приходят с другой стороны — в статье Питера Уитли, опубликованной в 2016 году, сразу после открытия первых трех планет, приводятся данные по ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению звезды TRAPPIST-1. И оно почти не уступает солнечному. При том, что экзопланеты находятся значительно ближе к звезде и, скорее всего, не защищены сильным магнитным полем, радиация и жесткое излучение на их поверхности должны существенно превосходить земные показатели.

Кроме того, подобные звезды намного менее стабильны, чем Солнце, и частые вспышки и выбросы протуберанцев тоже вряд ли способствуют ровному и здоровому загару потенциальных траппистарианцев. Такие же (и даже более пессимистичные) оценки приводятся и в только что опубликованной статье Джека О’Мейли-Джеймса из университета Корнелла — только очень специфический состав атмосферы планеты способен уберечь ее поверхность от разрушительного действия рентгеновского излучения. Особенно важно наличие большого количества озона. В утешение можно сказать, что звезды класса М8 живут в 500 раз дольше Солнца (до триллиона лет, что намного превышает возраст Вселенной) и, так как звезда еще очень молодая — ей всего 500 миллионов лет, у траппистериан есть в запасе много времени на адаптацию к агрессивной среде.

Что дальше?

Однако все это пока только предположения. Астрофизики из других научных групп уже подали заявку на использование телескопа «Хаббл» для попытки «просвечивания» атмосферы планет при их очередном прохождении по диску звезды, а «Кеплер» уже некоторое время наблюдает TRAPPIST-1, собирая новые данные о транзитах. Ну, и, конечно, запуск космического ИК телескопа «Джеймс Уэбб», назначенный на следующий год, тоже ожидается с большим нетерпением — его огромного зеркала, которое в шесть раз больше, чем у «Хаббла», должно хватить для получения новых сведений об этой удивительной системе.

Источник https://nplus1.ru/material/2017/02/24/trappist