Meer recent hebben we gereageerd op de ontdekking van Proxima b, een planeet die een kers op de taart is geworden van een exoplanetaire cake. En op 22 februari 2017 werd met veel tamtam de ontdekking aangekondigd van drie planeten tegelijk in de bewoonbare zone van een andere rode dwerg, TRAPPIST-1. Dit systeem is bijna tien keer zo ver als Proxima Centauri, maar er zijn minstens twee omstandigheden die de vondst de tweede kers op de taart van de afgelopen maanden maken. Het:
- er zijn drie planeten tegelijk in de bewoonbare zone, dit vergroot de kans dat er tenminste één geschikt is voor leven;
- deze planeten zijn, in tegenstelling tot Proxima b, van voorbijgaande aard, dat wil zeggen dat ze voor een aardse waarnemer langs de schijf van de ster gaan, wat de observatie van hun atmosfeer enorm vergemakkelijkt.
Een paar woorden over de geschiedenis van de sensatie. Het systeem werd in 2015 ontdekt door de kleine Belgische telescoop TRAPPIST. De naam - Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope South - is afgestemd op het Belgische biermerk. De telescoop bevindt zich in Chili bij het La Silla Observatorium van het European Southern Observatory.
Met zijn hulp werden drie doorvoerplaneten ontdekt nabij de koude rode dwerg 2MASS J23062928-0502285 [1], die de tweede, meer menselijke naam TRAPPIST-1 kreeg - dit was het eerste planetaire systeem dat door deze telescoop werd ontdekt. Vervolgens werd het systeem geobserveerd door de Europese VLT-telescoop (Very Large Telescope) en tot slot, dankzij de gegevens van de NASA Spitzer infrarood-ruimtetelescoop, werd het systeem "ontward" en ontdekte dat er zeven planeten zijn. De laatste stap was eigenlijk de persconferentie van NASA op 22 februari.
Figuur: 1. Lichtcurve van de TRAPPIST-1 ster tijdens de 20-daagse sessie van de Spitzer ruimtetelescoop. Groene stippen - waarnemingen met telescopen op de grond. Verticaal - de helderheid van de ster op dit moment in verhouding tot de gemiddelde helderheid. De diamanten markeren de doorgangen van specifieke planeten. De opwaartse uitwerping van punten zijn hoogstwaarschijnlijk stellaire fakkels. Er is maar één doorvoer van planeet h. De periode en orbitale straal worden geschat op basis van de duur van een enkele doorgang (zie figuur 2)
Figuur: 2. Lichtkrommen van de ster tijdens de transits van elk van de zeven planeten
Promotie video:
De bewoonbare zone omvat de planeten e, f, g, hoewel planeet d op het eerste gezicht meer geschikt is voor verwarmingsintensiteit dan g. Dit vereist een vrij complexe discussie met schattingen van het mogelijke broeikaseffect, inclusief veel onzekerheden. Het concept van een bewoonbare zone is natuurlijk erg willekeurig.
Hoe we de bewoonbare zone ook definiëren, er zijn ernstige problemen met de werkelijke geschiktheid voor leven van elk van deze planeten. Zelfde problemen als Proxima b. Ze worden geassocieerd met de aard van rode dwergen.
1. Dit zijn sterren met een zeer heftige magnetische activiteit. Ze hebben een dikke convectielaag. In tegenstelling tot de zon, waar warmte voornamelijk naar buiten wordt overgedragen door diffusie van fotonen, heerst daar convectie. De zon heeft ook convectie, daarom verschijnen er vlekken, fakkels, protuberansen en op aarde - magnetische stormen en aurora's. Daar zijn al deze verschijnselen veel intenser.
2. De helderheid van deze sterren aan het begin van hun biografie verandert enorm. De eerste miljoenen jaren schijnen ze tientallen of zelfs honderden keren helderder dan in de stabiele toestand.
3. De bewoonbare zone van de rode dwergen is zo dicht bij de ster dat de planeten in een getijafsluiting vallen: ofwel staan ze altijd met één kant naar de ster gericht, of de dag is langer dan hun jaar (voor het TRAPPIST-1-systeem is de eerste optie waarschijnlijker).
Wat te doen, de natuur voor de tweede keer in minder dan een jaar laat ons juist zulke niet erg bemoedigende planetaire systemen uitglijden. Dit is niet verrassend - ze zijn veel gemakkelijker te vinden met de spectrometrische methode (het is onmogelijk om de aarde op deze manier in de buurt van de zon te detecteren), ze blijken eerder van voorbijgaande aard te zijn en de transits zijn meer contrasterend, ten slotte zijn er meer rode dwergen dan gele en oranje.
Figuur: 3. Gelijktijdige doorvoer van drie planeten. Lichtcurve gemaakt op 11 december 2015 met de Europese telescoop VLT
Dus de gegevens op het gevonden systeem TRAPPIST-1 (fouten worden niet gegeven).
| Planeet | Baanradius | Periode | Planeet straal | Verwarmingsintensiteit (in terrestrische eenheden) |
| b | AU 0,011 | 1,51 dagen | 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 |
Ster. Massa - 0,08 zonne-energie, straal -0,117 zonne-energie, helderheid - 0,5103 zonne-energie, temperatuur 2550 K.
Het was mogelijk om de massa van de planeten ruwweg te schatten - vanwege hun interactie zijn de transits enigszins in de tijd verschoven. Fouten bij het bepalen van de massa zijn groot, maar we kunnen al concluderen dat de dichtheid van de planeten overeenkomt met de rotsvulling.
Natuurlijk zullen er in de nabije toekomst aardachtige planeten in de buurt van zonachtige sterren worden gevonden. In feite zijn er al verschillende van dergelijke planeten gevonden in de gegevens van Kepler, alleen zijn ze erg ver weg. Het is voldoende om honderden heldere sterren aan de hele hemel te observeren (wat de komende jaren gepland is), en dergelijke planeten zullen binnen honderd lichtjaar (en met een beetje geluk zelfs nog dichterbij) worden ontdekt.
In feite bevinden comfortabele planeten nabij comfortabele sterren zich binnen 15-20 lichtjaar (dit volgt uit de statistieken verkregen door Kepler), maar om ze te ontdekken zijn ruimte-interferometers nodig, die niet snel zullen verschijnen (zie [2]).
De hoop dat ten minste één van de planeten geschikt is voor leven, blijft bestaan. Ze konden aanvankelijk veel water hebben - ze konden zich niet vormen waar ze nu zijn en moesten vanuit de periferie van de protoplanetaire schijf naar de ster migreren - vanwege de sneeuwgrens, waar veel ijslichamen zijn. Toegegeven, ze migreerden terug in het tijdperk waarin de ster veel helderder was. Maar schattingen gemaakt voor Proxima b laten zien dat de hydrosferen van planeten een verschroeiende hitte van tientallen miljoenen jaren kunnen overleven.
Een getij-sluiting is niet dodelijk als de planeet een dikke atmosfeer heeft en een mondiale oceaan - dan kan warmteoverdracht het temperatuurverschil tussen de dag- en nachthemisferen gladstrijken.
Een ernstiger probleem is het wegblazen van de atmosfeer door sterrenwind en harde straling. Op de persconferentie werd gezegd dat de ster nu kalm is. Dit is waar als we thermische straling bedoelen, maar geen röntgenstraling: TRAPPIST-1 - direct gemeten door het XMM ruimteobservatorium - zendt ongeveer evenveel röntgenstraling uit als de zon. Omdat de planeten tien keer dichter bij de ster staan dan de aarde bij de zon, is hun röntgenstraling drie ordes van grootte hoger dan die van de aarde.
Röntgenfoto's vormen geen directe bedreiging voor het leven - het wordt geabsorbeerd door de atmosfeer. Het probleem is de uitdroging van de planeet: röntgenstralen en hard ultraviolet licht breken watermoleculen af - waterstof verdampt gemakkelijk, zuurstof bindt zich. Erger nog, aangezien er intense röntgenstraling is, moet er een intense sterrenwind zijn - die verwijdert de buitenste lagen van de atmosfeer. De enige redding in dit geval is het magnetische veld van de planeet. Of deze planeten een voldoende sterk veld hebben, is de vraag. Misschien is er.
De hoop blijft dus dat sommige van de planeten van het TRAPPIST-1-systeem geschikt zijn voor leven. Kan deze hoop worden bevestigd of ontkend? Het is mogelijk, en veel gemakkelijker dan in het geval van Proxima b, waarin men ofwel de gereflecteerde ofwel de eigen thermische straling van de planeet moet observeren.
Het is erg moeilijk om het te scheiden van de straling van de ster. Hier kunnen de atmosferen van de planeten in het licht worden waargenomen, wat onvergelijkbaar eenvoudiger is.
In het geval van Proxima b zal de nieuwe James Webb-ruimtetelescoop alleen in het extreme geval iets kunnen laten zien: het ene halfrond is heet, het andere is bevroren. In het geval van TRAPPIST-1 is het realistisch om absorptielijnen te zien in de atmosferen van planeten. Of leg er wat beperkingen bovenop. Een van die beperkingen is al gesteld: de binnenste planeten hebben geen dikke waterstofatmosfeer.
Figuur: 4. Schema van de banen van het TRAPPIST-1-systeem. De bewoonbare zone is grijs gemarkeerd. Gestippelde cirkels - het is in een iets andere interpretatie
Is er een theoretische mogelijkheid dat James Webb het leven op een van deze planeten zal ontdekken? De meest welsprekende marker van het leven is zuurstof. Het is volledig detecteerbaar als ozon en als O2. Een ander ding is dat er een bepaalde hoeveelheid zuurstof kan worden gevormd, bijvoorbeeld door de dissociatie van watermoleculen door de harde straling van een ster. Het is niet eenvoudig om te schatten hoeveel zuurstof een betrouwbare marker is. Het is noodzakelijk om de dissociatiesnelheid en de snelheid van zuurstofbinding te kennen - er zijn veel onzekerheden. Maar als er zoveel zuurstof is als op aarde, kun je nergens heen: alleen leven kan dit geven. Als er weinig zuurstof is, wil dit niet zeggen dat er geen leven is: er was de eerste paar miljard levensjaren weinig zuurstof op aarde.
Tot slot wil ik mijn spijt betuigen dat Rusland de studie van exoplaneten heeft omzeild. Er zijn individuen en individuele banen, maar meer niet. Maar dit gebied vereist geen gigantische installaties - eerder grijze materie en doorzettingsvermogen dan onze wetenschap altijd heeft kunnen opscheppen. Enige hoop wordt gegeven door het Russische project "Millimetron" - een cryogene ruimtetelescoop met een spiegel van 10 meter: de studie van exoplaneten is een van de eerste punten in het project. Dit is echter een onderwerp voor een aparte publicatie.
Boris Stern, astrofysicus, Ph. D. fysiek -mat. wetenschappen, geleid. wetenschappelijk. sotr. Instituut voor Nucleair Onderzoek RAS (Troitsk)