Красный карлик PIST-1 является домом для самой большой группы планет размером примерно с Землю, когда-либо обнаруженных в одной звездной системе. Эти семь скалистых братьев и сестер, расположенных на расстоянии около 40 световых лет от нас, являются примером огромного разнообразия планетных систем, которые, вероятно, заполняют Вселенную.
Новое исследование, опубликованное в журнале Planetary Science Journal, показывает, что планеты TRAPPIST-1 имеют очень похожие плотности. Это может означать, что все они содержат примерно одинаковое соотношение материалов, которые, как считается, составляют большинство каменистых планет, 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 родная 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 вокруг звезды TRAPPIST-1 с помощью малого телескопа Transiting Planets and Planetesimals (TRAPPIST) в Чили. Последующие наблюдения подтвердили наличие двух оригинальных планет и позволили обнаружить еще пять. Управляемый Лабораторией реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, Спитцер наблюдал за системой более 1000 часов, прежде чем она была выведена из эксплуатации в январе 2020 года . Космические телескопы, ныне вышедшие из эксплуатации, также изучали систему.
Все семь планет TRAPPIST-1, которые находятся так близко к своей звезде, что они вписываются в орбиту Меркурия, были обнаружены с помощью метода транзита: ученые не могут видеть планеты напрямую (они слишком малы и тусклые по сравнению с звезда), поэтому они ищут провалы в яркости звезды, возникающие при пересечении 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, как Юпитер и Сатурн. Новая статья предлагает самые точные измерения плотности для любой группы экзопланет — планет за пределами нашей солнечной системы.
Царство железа
Чем точнее ученые знают плотность планеты, тем больше ограничений они могут наложить на ее состав. Учтите, что пресс-папье может быть примерно того же размера, что и бейсбольный мяч, но обычно намного тяжелее. Вместе ширина и вес показывают плотность каждого объекта, и отсюда можно сделать вывод, что бейсбольный мяч сделан из чего-то более легкого (веревка и кожа), а пресс-папье — из чего-то более тяжелого (обычно стекла или металла).
Плотность восьми планет в нашей солнечной системе сильно различается. Пухлые гиганты с преобладанием газа - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — больше, но гораздо менее плотны, чем четыре земных мира, потому что они состоят в основном из более легких элементов, таких как водород и гелий. Даже четыре земных мира демонстрируют некоторое разнообразие плотности, которая определяется как составом планеты, так и сжатием из-за гравитации самой планеты. Вычитая эффект гравитации, ученые могут вычислить так называемую несжатую плотность планеты и потенциально узнать больше о ее составе.
У семи планет TRAPPIST-1 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, заключается в том, что они имеют такой же состав, как Земля, но с меньшим процентным содержанием железа — около 21% по сравнению с 32% на Земле, согласно исследованию.
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 три его земных собрата, у него есть 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.
Эрик Агол, астрофизик из Вашингтонского университета и ведущий автор нового исследования, сказал, что ответом может быть комбинация двух сценариев — меньше железа в целом и немного окисленного железа.
Команда также изучила, может ли поверхность каждой планеты быть покрыта водой, которая даже легче, чем ржавчина, 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 1% общей массы Земли.
Поскольку они расположены слишком близко к своей звезде, чтобы вода могла оставаться жидкостью в большинстве случаев, трем внутренним планетам TRAPPIST-1 потребуется горячая и плотная атмосфера, подобная Венере, так что вода может оставаться связанной с планетой в виде пара. Но Агол говорит, 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.