Kepler-teleskop udspionerer detaljer om TRAPPIST-1-systemets yderste planet

Et internationalt hold af astronomer ledet af University of Washington har brugt data indsamlet af Kepler-rumteleskopet til at observere og bekræfte detaljer om den yderste af syv exoplaneter, der kredser om stjernen TRAPPIST-1.

De bekræftede, at planeten, TRAPPIST-1t, kredser om sin stjerne hver 18.77 dag, er knyttet i sin bane til sine søskende og er kold. Langt fra sin værtsstjerne, planeten er sandsynligvis ubeboelig - men det har det måske ikke altid været.

UW ph.d.-studerende Rodrigo Luger er hovedforfatter på et papir offentliggjort 22. maj i tidsskriftet Natur astronomi .

"TRAPPIST-1h var præcis, hvor vores team forudsagde det, " sagde Luger. Forskerne opdagede et matematisk mønster i omløbsperioderne for de indre seks planeter, hvilket var stærkt antydende til en 18,77 dages periode for planet h.

"Det gjorde mig bekymret i et stykke tid, at vi så det, vi gerne ville se. Tingene er næsten aldrig præcis, som man forventer i dette felt - der er normalt overraskelser rundt om hvert hjørne, men teori og observation passede perfekt i dette tilfælde."

TRAPPIST-1 er en midaldrende, ultra cool dværgstjerne, meget mindre lysende end solen og kun en smule større end planeten Jupiter. Stjernen, som er næsten 40 lysår eller omkring 235 billioner miles væk i stjernebilledet Vandmanden, er opkaldt efter det jordbaserede Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST), faciliteten, der først fandt bevis for planeter omkring sig i 2015.

TRAPPIST-undersøgelsen ledes af Michael Gillon fra University of Liège, Belgien, som også er medforfatter til denne forskning. I 2016 Gillons team annoncerede påvisningen af ​​tre planeter, der kredser om TRAPPIST-1, og dette tal blev hævet til syv i en efterfølgende 2017-avisen. Tre af TRAPPIST-1's planeter ser ud til at være inden for stjernens beboelige zone, den del af rummet omkring en stjerne, hvor en klippeplanet kunne have flydende vand på sin overflade, dermed give livet en chance.

Sådanne exoplaneter opdages, når de passerer, eller gå foran, deres værtsstjerne, blokerer en målbar del af lyset. Gillons hold var i stand til kun at observere en enkelt transit i TRAP-PIST-1h, den længst ude af stjernens syv afkom, forud for dataene analyseret af Lugers team.

Luger ledede et internationalt forskerhold med flere institutioner, der studerede TRAPPIST-1-systemet nærmere ved hjælp af 79 dages observationsdata fra K2, Kepler-rumteleskopets anden mission. Holdet var i stand til at observere og studere fire transitter af TRAPPIST-1h på tværs af sin stjerne.

Holdet brugte K2-dataene til yderligere at karakterisere kredsløbene for de andre seks planeter, hjælpe med at udelukke tilstedeværelsen af ​​yderligere transitplaneter, og bestemme stjernens rotationsperiode og aktivitetsniveau. De opdagede også, at TRAPPIST-1s syv planeter ser ud til at være forbundet i en kompleks dans kendt som en orbital resonans, hvor deres respektive omløbsperioder er matematisk relaterede og en smule påvirker hinanden.

"Resonanser kan være vanskelige at forstå, især mellem tre kroppe. Men der er enklere sager, der er nemmere at forklare, " sagde Luger. For eksempel, tættere på hjemmet, Jupiters måner Io, Eu-ropa og Ganymedes er sat i en 1:2:4 resonans, hvilket betyder, at Europas omløbsperiode er præcis det dobbelte af Io, og Ganymedes er præcis det dobbelte af Europa.

Disse forhold, Luger sagde, foreslog, at de ved at studere kredsløbshastighederne på dens naboplaneter kunne forudsige den nøjagtige kredsløbshastighed, og dermed også omløbsperiode, af TRAP-PIST-1h selv før K2-observationerne. Deres teori viste sig at være korrekt, da de lokaliserede planeten i K2-dataene.

TRAPPIST-1's syv-planet kæde af resonans etablerede en rekord blandt kendte planetsystemer, de tidligere holdere er systemerne Kepler-80 og Kepler-223, hver med fire resonante planeter. Resonanserne er "selvkorrigerende, " sagde Luger, sådan, at hvis en planet på en eller anden måde blev rykket ud af kurs, det ville låse sig tilbage i resonans. "Når du først er fanget i denne form for stabil resonans, det er svært at undslippe, " han sagde.

Alt det her, Luger sagde, indikerer, at disse orbitale forbindelser blev smedet tidligt i TRAPPIST-1-systemets levetid, da planeterne og deres baner ikke var fuldt dannede.

"Resonansstrukturen er ingen tilfældighed, og peger på en interessant dynamisk historie, hvor planeterne sandsynligvis migrerede indad i låsetrin, " sagde Luger. "Dette gør systemet til et godt teststed for planetdannelse og migrationsteorier."

Det betyder også, at mens TRAPPIST-1h nu er ekstremt kold - med en gennemsnitstemperatur på 173 Kelvin (minus 148 F) - har den sandsynligvis tilbragt flere hundrede millioner år i en meget varmere tilstand, da dens værtsstjerne var yngre og lysere.

"Vi kunne derfor se på en planet, der engang var beboelig og siden er frosset til, som er fantastisk at overveje og fantastisk til opfølgende undersøgelser, " sagde Luger.

Luger sagde, at han har arbejdet med data fra K2-missionen i et stykke tid nu, forsker i måder at reducere "instrumentel støj" i dets data som følge af ødelagte reaktionshjul - små svinghjul, der hjælper med at placere rumfartøjet - som kan overvælde planetariske signaler.

"At observere TRAPPIST-1 med K2 var en ambitiøs opgave, " sagde Marko Sestovic, en doktorgradsstuderende ved universitetet i Bern og anden forfatter til undersøgelsen. Ud over de fremmede signaler, der introduceres af rumfartøjets slingre, stjernens svaghed i det optiske (det område af bølgelængder, hvor K2 observerer) placerede TRAPPIST-1h "nær grænsen for, hvad vi kunne detektere med K2, " sagde han. For at gøre tingene værre, Sestovic sagde, en transit af planeten faldt sammen med en transit af TRAPPIST-1b, og en faldt sammen med en stjerneblus, hvilket øger vanskeligheden ved observationen. "At finde planeten var virkelig opmuntrende, " sagde Luger, "Siden det viste, kan vi stadig lave videnskab af høj kvalitet med Kepler på trods af betydelige instrumentelle udfordringer."

Lugers UW medforfattere er astronomi doktorandstuderende Ethan Kruse og Brett Morris, post-doc forsker Daniel Foreman-Mackey og professor Eric Agol (Guggenheim Fellow). Agol hjalp separat med at bekræfte den omtrentlige masse af TRAPPIST-1-planeter med en teknik, som han og kolleger udtænkte kaldet "transit timing variationer", der beskriver planeters gravitationstræk på hinanden.

Luger sagde, at TRAPPIST-1-systemets relative nærhed "gør det til et primært mål for opfølgning og karakterisering med nuværende og kommende teleskoper, som måske kan give os information om disse planeters atmosfæriske sammensætning."