For nylig kommenterede vi opdagelsen af Proxima b, en planet, der er blevet et kirsebær oven på en eksoplanetær kage. Og den 22. februar 2017 blev det med fanfare annonceret opdagelsen af tre planeter på én gang i den beboelige zone i en anden rød dværg - TRAPPIST-1. Dette system er næsten ti gange længere end Proxima Centauri, men der er mindst to omstændigheder, der gør søgningen til det andet kirsebær på kagen i de sidste par måneder. Det:
- der er tre planeter i den beboelige zone på én gang, hvilket øger sandsynligheden for, at mindst en af dem er egnet til livet;
- i modsætning til Proxima b er disse planeter forbigående, det vil sige de passerer gennem stjerneskiven til en jordisk observatør, hvilket i høj grad letter observationen af deres atmosfærer.
Et par ord om sensationens historie. Systemet blev opdaget i 2015 af det lille belgiske teleskop TRAPPIST. Navnet - Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope South - er skræddersyet til det belgiske ølmærke. Teleskopet er placeret i Chile ved La Silla Observatory af Det Europæiske Sydobservatorium.
Med sin hjælp blev der opdaget tre transitplaneter nær den kolde røde dværg 2MASS J23062928-0502285 [1], der fik det andet, mere menneskelige navn TRAPPIST-1 - dette var det første planetariske system, som dette teleskop opdagede. Derefter blev systemet observeret af det europæiske VLT-teleskop (Very Large Telescope), og til sidst, takket være dataene fra NASA Spitzer infrarøde rumteleskop, var systemet”udviklet”, og det blev fundet, at der er syv planeter. Faktisk var det sidste trin NASAs pressekonference den 22. februar.
Figur: 1. Lyskurve for TRAPPIST-1-stjernen under den 20-dages session i Spitzer-rumteleskopet. Grønne prikker - observationer med jordbaserede teleskoper. Lodret - stjernens lysstyrke i øjeblikket i forhold til den gennemsnitlige lysstyrke. Diamanterne markerer gennemgange af bestemte planeter. De opadgående udstødninger af punkter er sandsynligvis stjerneblink. Der er kun en transit af planeten h. Dens periode og kredsløbsradius estimeres ud fra varigheden af en enkelt transit (se fig. 2)
Figur: 2. Stjernens lyskurver under gennemgangen af hver af de syv planeter
Salgsfremmende video:
Den beboelige zone indbefatter planeterne e, f, g, skønt planet d ved første øjekast er mere egnet til opvarmningsintensitet end g. Dette kræver en temmelig kompleks diskussion med skøn over den mulige drivhuseffekt, herunder mange usikkerheder. Selvfølgelig er begrebet en beboelig zone meget vilkårlig.
Uanset hvordan vi definerer den beboelige zone, er der alvorlige problemer med den reelle levedygtighed for hver af disse planeter. Samme problemer som Proxima b. De er forbundet med røde dværge.
1. Dette er stjerner med meget voldsom magnetisk aktivitet. De har et tykt konvektivt lag. I modsætning til solen, hvor varmen overføres udefra hovedsageligt ved diffusion af fotoner, hersker konvektion der. Solen har også konvektion, hvorfor pletter, blusser, fremtrædende steder vises, og på jorden er der magnetiske storme og nordlys. Der er alle disse fænomener meget mere intense.
2. Lysstyrken på disse stjerner i begyndelsen af deres biografi ændres meget. I de første millioner af år skinner de ti eller endda hundreder af gange lysere end i stabil tilstand.
3. Den beboelige zone med røde dværge er så tæt på stjernen, at planeterne falder i en tidevandsafslutning: enten står de altid mod stjernen med den ene side, eller så er deres dag længere end deres år (for TRAPPIST-1-systemet er den første mulighed mere sandsynlig).
Hvad man skal gøre, naturen for anden gang på mindre end et år glider os for bare ikke så meget opmuntrende planetariske systemer. Dette er ikke overraskende - de er meget lettere at finde ved hjælp af den spektrometriske metode (det er umuligt at opdage Jorden nær Solen på denne måde), de er mere tilbøjelige til at vise sig at være forbigående, og gennemgange er mere kontrasterende, endelig er der flere røde dværge end gule og orange.
Figur: 3. Samtidig transit af tre planeter. Lyskurve taget den 11. december 2015 med det europæiske teleskop VLT
Så dataene på TRAPPIST-1-systemet blev fundet (vi præsenterer ikke fejl).
| Planet | Omkredsradius | Periode | Planetradius | Opvarmningsintensitet (i terrestriske enheder) |
| b | AU 0,011 | 1,51 dage | 1.09 Re | 4.25 |
| c | 0,015 | 2,42 | 1.06 | 2.27 |
| d | 0,021 | 4.05 | 0,77 | 1.14 |
| e | 0,028 | 6.10 | 0,92 | 0,66 |
| f | 0,037 | 9.21 | 1.04 | 0,38 |
| g | 0,045 | 12.35 | 1.13 | 0,26 |
| h | 0,063 | ~ 20 | 0,75 | 0,13 |
Stjerne. Masse - 0,08 sol, radius -0,117 sol, lysstyrke - 0,5103 sol, temperatur 2550K
Det var muligt at estimere planetenes masser groft - på grund af deres interaktion er transitene let forskudt med tiden. Fejl ved bestemmelse af massen er store, men vi kan allerede konkludere, at planetenes tæthed svarer til stenfyldningen.
Naturligvis vil jordlignende planeter i nærheden af sollignende stjerner findes i overskuelig fremtid. Faktisk er der allerede fundet flere sådanne planeter i Kepler-dataene, kun de er meget langt væk. Det er nok at observere flere hundrede lyse stjerner over himlen (som er planlagt i de kommende år), og sådanne planeter vil blive opdaget inden for hundrede lysår (og hvis du er heldig, endnu tættere).
Faktisk er komfortable planeter i nærheden af komfortable stjerner inden for 15–20 lysår (dette følger af statistikken opnået af Kepler), men for at opdage dem er der behov for ruminterferometre, som ikke vises snart (se [2]).
Håbet om, at mindst en af planeterne er egnet til livet, forbliver. De kunne oprindeligt have meget vand - de kunne ikke danne sig, hvor de er nu, og måtte migrere til stjernen fra periferien af den protoplanetære disk - på grund af snelinjen, hvor der er mange islegemer. Sandt nok vandrede de tilbage i den tid, hvor stjernen var meget lysere. Men skøn foretaget for Proxima b viser, at planets hydrokugler kunne overleve en brændende varme på titusindvis af år.
En tidevandsafslutning er ikke dødelig, hvis planeten har en tyk atmosfære og et globalt hav - så er varmeoverførslen i stand til at udjævne temperaturforskellen mellem dag- og nathalvkuglen.
Et mere alvorligt problem er, at atmosfæren blæses væk af stjernevind og hård stråling. På pressekonferencen blev det sagt, at stjernen er rolig nu. Dette gælder, hvis vi mener termisk stråling, men ikke røntgenstråler: TRAPPIST-1 - målt direkte af XMM-pladsobservatoriet - udsender omtrent den samme mængde røntgenstråler som solen. Da planeterne er ti gange tættere på stjernen end Jorden er Solen, er deres røntgenstråling tre størrelsesordener højere end Jordens.
Røntgenstråler udgør ikke en direkte trussel mod livet - de absorberes af atmosfæren. Problemet er dehydrering af planeten: Røntgenstråler og hårdt ultraviolet lys bryder vandmolekyler op - hydrogen fordamper let, ilt binder. Endnu værre, da der er intens røntgen, skal der være en intens stjernevind - den fjerner de ydre lag af atmosfæren. Den eneste frelse i dette tilfælde er planetens magnetfelt. Hvorvidt disse planeter har et stærkt nok felt er et spørgsmål. Måske er der.
Så håbet er fortsat, at nogle af planeterne i TRAPPIST-1-systemet er egnede til livet. Kan dette håb bekræftes eller nægtes? Det er muligt og meget lettere end tilfældet med Proxima b, hvor man skal observere enten den reflekterede eller planetens egen termiske stråling.
Det er meget vanskeligt at adskille det fra stjernens stråling. Her kan planeternes atmosfære observeres i lyset, hvilket er uforligneligt lettere.
I tilfældet med Proxima b vil det nye James Webb-rumteleskop kun kunne vise noget i det ekstreme tilfælde: den ene halvkugle er varm, den anden er frossen. I tilfælde af TRAPPIST-1 er det realistisk at se absorptionslinjer i atmosfærerne på planeterne. Eller sæt nogle begrænsninger på toppen. En sådan begrænsning er allerede sat: de indre planeter har ikke tykke brintatmosfærer.
Figur: 4. Diagram over banerne i TRAPPIST-1-systemet. Den beboelige zone er markeret med gråt. Prikkede cirkler - hun har en lidt anden fortolkning
Er der en teoretisk mulighed for, at James Webb vil opdage livet på en af disse planeter? Den mest veltalende livsmarkør er ilt. Det er fuldt detekterbart både som ozon og som O2. En anden ting er, at der kan dannes en vis mængde ilt på grund af dissociationen af vandmolekyler ved en stærk stråling fra en stjerne. Det er ikke let at estimere, hvor meget ilt der er en pålidelig markør. Det er nødvendigt at kende dissociationshastigheden og iltbindingshastigheden - der er mange usikkerheder. Men hvis der er så meget ilt som der er på Jorden, er der ingen steder at gå: kun livet kan give dette. Hvis der er lidt ilt, betyder det ikke, at der ikke er noget liv: der var lidt ilt på Jorden i de første par milliarder år af livet.
Afslutningsvis vil jeg udtrykke min beklagelse over, at Rusland omgåede studiet af exoplaneter. Der er enkeltpersoner og individuelle job, men intet mere. Men dette område kræver ikke gigantiske installationer - snarere grå substans og udholdenhed end vores videnskab altid har været i stand til at prale af. Noget håb gives af det russiske projekt "Millimetron" - et kryogent rumteleskop med et 10-meters spejl: undersøgelsen af exoplaneter er et af de første punkter i projektet. Dette er dog et emne for en separat publikation.
Boris Stern, astrofysiker, Ph. D. fysisk -måtte. videnskaber, ledet. videnskabelig. sotr. Institut for Atomforskning RAS (Troitsk)