Den potentielle beboelighed for TRAPPIST-1 - ingen rumvæsener endnu, men en masse data

For et år siden, Jeg skrev en artikel om den bemærkelsesværdige opdagelse af TRAPPIST-1 planetsystemet, et system af syv tempererede terrestriske planeter, der kredser om en ultra-kølig rød dværgstjerne. Dette var en enorm astronomisk opdagelse, fordi disse lavmassestjerner er de mest talrige i vores galakse, og opdagelsen af ​​potentielt beboelige planeter omkring en af ​​dem fik mange mennesker til at spekulere om eksistensen af ​​liv der og andre steder i vores galakse omkring lignende stjerner.

Denne meddelelse inspirerede også til en masse yderligere undersøgelser foretaget af astronomer verden over, som har brugt yderligere instrumenter og kørt komplekse modeller for bedre at forstå dette planetariske system og dets potentiale for at være vært for liv.

Et år senere, det forekommer mig, at tiden er inde til at give dig en opdatering om, hvad vi har lært om dette planetsystem, som ligger kun 41 lysår fra Jorden.

Bedre forståelse af planetsystemet

Mellem december 2016 og marts 2017 yderligere data om TRAPPIST-1 blev indsamlet ved hjælp af Kepler-rumfartøjet i K2-programmet. Kepler blev designet til at måle transit af exoplaneter, men observationer af TRAPPIST-1 var en kæmpe udfordring selv for dette bemærkelsesværdige planetjagt rumfartøj, fordi TRAPPIST-1 er meget svag i synligt lys. I løbet af dens levetid, astronomer har lært meget om Keplers mange muligheder, herunder bedre måder at nå den nødvendige følsomhed for at detektere signaturerne af TRAPPIST-1-type transitter (typisk 0,1 % af stjernens flux). Forfatterne til en artikel offentliggjort i maj 2017 i Natur var i stand til at begrænse omløbsperioden for den yderste planet, TRAPPIST-1 time (P=18,766 dage). Deres arbejde viser, at de syv planeter er, som mistænkt, i tre-kropsresonanser i en kompleks kæde, der tyder på god stabilitet over en meget lang periode.

Husk på, at vi ikke ser planeterne, men kun registrerer deres skygge ved hjælp af transitteknikken, der giver os et godt skøn over en planets størrelse og dens kredsløb. Imidlertid, at virkelig forstå naturen af ​​en planet, vi skal også bestemme dens tæthed, og dermed dens masse. I et forsøg på at estimere masse i flere systemer, astronomer har brugt en teknik kaldet transit-timing variationer (eller TTV). Denne teknik består i at måle et lille skift i timingen af ​​en transit forårsaget af gravitationsinteraktion med de andre planeter i systemet. Ved at bruge en ny algoritme og et komplet sæt data, inklusive data fra både TRAPPIST og K2, et hold af videnskabsmænd har forbedret tæthedsmålingerne af TRAPPIST-1 planeterne markant, som spænder fra 0,6 til 1,0 gange Jordens tæthed, eller en tæthedsmåling svarende til det, vi ser på de jordiske planeter i vores solsystem. Hvis vi også overvejer mængden af ​​lys, vi modtager fra disse planeter, TRAPPIST-1 e er nok den mest jordlignende i systemet. Et papir udgivet i februar 2018 inkluderede også en diskussion af det indre af disse planeter og foreslog, at TRAPPIST-1 c og e har store stenede indre og -b, -d, -f, -g skal have tyk atmosfære, oceaner, eller iskolde skorper.

For at forstå et planetsystem, vi har brug for nøjagtig information om dets mest massive objekt, dens stjerne. Stjerneastronomer har forbedret deres viden om TRAPPIST-1s stjerne og anslår nu dens alder til at være mellem 5 og 10 milliarder år, hvilket gør den ældre end vores sol. Dette skøn er baseret på forskellige metoder, herunder undersøgelse af dens aktivitet, dens rotationshastighed, og dens placering i Mælkevejen. Dens masse er også blevet revideret til 9% af vores sols masse, hvilket lidt påvirker planetens afstand fra værtsstjernen.

Mens du observerer TRAPPIST-systemet, astronomer har også opdaget stærke stjernelignende udbrud (set, for eksempel, mod slutningen af ​​K2-observationerne). UV-overvågning af Hubble-rumteleskopet og af XMM/Newton kombineret med modellering afslørede, at de indre planeter kan have mistet en stor mængde vand, men de yderste beholder nok det meste af deres. Kompleksiteten af ​​disse udgasningsmodeller og interaktioner med stjernevinden, når det kombineres med planetariske masser, er nøglen til at forstå naturen af ​​TRAPPIST-1's planeter og deres potentielle beboelighed.

Dynamikere, som repræsenterer en anden vigtig astronomisk underdisciplin, har også interesseret sig for dette komplekse system. Med syv planeter omkring en lavmassestjerne, man kan med rette undre sig over systemstabilitet. Deres modeller viser os, at systemet kan være stabilt over milliarder af år, hvilket er fremragende nyheder, hvis du ønsker, at livet skal blomstre der.

Nye eksperimenter og innovative ideer

Vi har nu utvetydige beviser for eksistensen af ​​TRAPPIST-1 planeterne, og vi kender deres baner, deres størrelse, og deres masse, men der er stadig meget at lære, før vi kan påstå, at de har flydende vand på deres overflade, og vi skal vide meget mere end det, før vi kan konkludere, at disse planeter kan være beboelige, eller beboet.

En af de vigtigste udfordringer ved at beregne overfladetemperaturen på en planet er eksistensen og sammensætningen af ​​dens atmosfære. Atmosfæren kan fungere som et tæppe, opvarmning af planetens overflade. Ved at bruge Hubble-rumteleskopet, astronomer har forsøgt at opdage tilstedeværelsen af ​​rige brintdominerede atmosfærer omkring TRAPPIST-1 planeter d, e, f, og g. Flerfarvede transitbegivenheder taget i det nær-infrarøde har udelukket en sådan atmosfære for planeter d, e, og f. En H2-domineret atmosfære ville føre til høje overfladetemperaturer og -tryk, som er uforenelige med tilstedeværelsen af ​​flydende vand. Denne negative påvisning tyder på, at disse planeter kunne have en jordlignende atmosfære med et tempereret overfladeklima, hvilket er mere godt nyt, hvis ligesom mig, du er interesseret i beboelighed.

Hvis liv dukkede op på én TRAPPIST-1 planet på et tidspunkt, hvor det var gæstfrit, hvad er chancerne for, at det spredes i hele systemet? To astronomer diskuterede denne hypotese i en kort artikel offentliggjort i juni 2017 og brugte en simpel model for lithopanspermia (overførsel af organismer i klipper fra en planet til en anden enten gennem interplanetarisk) for at opdage, at sandsynligheden for, at det sker, er større end for Jord-til-Mars-systemet. I kompakt TRAPPIST-1, sandsynligheden for påvirkning er højere, og transittiden mellem planeter er kortere, hvilket gør forurening blandt planeter mere sandsynlig. De konkluderede, at sandsynligheden for abiogenese (livets udseende) er forbedret for TRAPPIST-1. Selvfølgelig, dette er ren spekulation baseret på fysiske overvejelser, der skal bakkes op af observationer, men det forstærkede vigtigheden af ​​at finde sådanne kompakte miniplanetsystemer andre steder i galaksen.

Liv kan eksistere på måner såvel som planeter, og en måne kan være en væsentlig bidragyder til tilstedeværelsen af ​​liv, fordi dens blotte tilstedeværelse kan stabilisere planetens rotationsakse og skabe tidevandspuljer, der kan være nødvendige for, at komplekse molekyler kan dannes og interagere. Ingen måner er blevet opdaget omkring TRAPPIST-1 planeterne, selvom Spitzer-observationerne var i stand til at detektere en måne så stor som Jordens. Teoretisk undersøgelse viser, at de indre planeter (-b til -e) sandsynligvis ikke har små måner på grund af nærheden af ​​deres stjerne og andre planeter. Vi er endnu ikke i stand til at opdage tilstedeværelsen af ​​en lille måne, der kredser om en af ​​de yderste planeter, og vil ikke være i stand til at opdage en uden at bruge større teleskoper i rummet og på jorden.

Induktionsopvarmning er en proces, der bruges på Jorden til at smelte metal. Det sker, når vi ændrer magnetfeltet i et ledende medium, som så spreder energien gennem varme. Astronomer har i nogle år vidst, at stjerner af M-typen som TRAPPIST-1 har et stærkt magnetfelt. En gruppe astronomer studerede virkningen af ​​et så stærkt magnetfelt på planeternes indre i et system, der hælder i forhold til deres stjernes magnetfelt. Forudsat et planetarisk indre og sammensætning, der ligner Jorden, de fastslog, at de tre inderste planeter (-b, -c, -d) bør opleve øget vulkansk aktivitet og udgasning, og i nogle ekstreme tilfælde har udviklet et magmahav med pladetektonik og store jordskælv, sammenlignelig med Io, en Jupiters satellit. Igen, dette resultat er ekstremt modelafhængigt, da vi endnu ikke har en klar idé om den indre sammensætning af disse planeter, som direkte vil påvirke styrken af ​​induktionsopvarmningen. Imidlertid, hvis de virkelig er jordlignende i sammensætning, de kunne være en helvedes version af vores egen planet.

Andre forskere har også diskuteret eksistensen af ​​betydelig pladetektonik og intense jordskælv i dette system på grund af tidevandsspænding introduceret af planet-til-stjerne og planet-til-planet interaktioner. Hvis aktiviteten er rigtig, nogle af TRAPPIST-1-planeterne kunne virkelig ligne Jorden med det, der svarer til kontinentalplader, havbunden, og aktive vulkaner, men en dag bliver vi nødt til at tage et billede for at bekræfte dette.

Hvad er det næste?

Jeg har opsummeret nogle af de seneste artikler offentliggjort i løbet af de sidste to år om det vidunderlige TRAPPIST-1 system. Denne liste er ikke udtømmende, og jeg savnede nok nogle interessante ideer og nye hypoteser om dette komplekse system.

Men én ting er krystalklar:Mine aflæsninger har efterladt mig (og en masse andre mennesker) begejstret over, hvad vi kan finde ud af yderligere observationer med store jordbaserede teleskoper, inklusive et ekstremt stort teleskop (som TMT, ELT, eller GMT), eller James Webb Space Telescope (JWST). Hver af disse faciliteter er nødvendige for at begrænse vores modeller og forfine vores forståelse af dette system. For eksempel, langsigtet overvågning af systemet med disse faciliteter vil sætte yderligere begrænsninger på tilstedeværelsen af ​​måner i systemet. Ved at bruge den nøjagtige fotometri muliggjort af JWST, astronomer håber at begrænse planetens masser og kredsløb til en stor nøjagtighed, udlede sammensætningen af ​​deres atmosfærer, konstruer rå temperaturkort over alle planeterne i TRAPPIST-1 systemet.

Efter 2020, hvis alt går godt med JWST, og hvis rumteleskopet leverer de fremragende data, som vi forventer, vi har måske et råt kort over TRAPPIST-1 planeterne, ligner det grove billede af Pluto lavet med Hubble Space Telescope og senere valideret af New Horizons Spacecraft.

På mindre end to årtier, nærliggende planetsystemer som TRAPPIST-1 vil blive vores kosmiske baghave, og hvis alt går som planlagt med missioner som TESS, PLATO, ARIEL, og JWST såvel som ELT'erne, vi vil snart lære hemmelighederne bag de eksotiske verdener, som Jeg er overbevist, vil overraske os med deres mangfoldighed, ligesom vores eget solsystem har overrasket os i løbet af de sidste to årtier, overrasker os i dag, og vil helt sikkert fortsætte med at overraske os i fremtiden.