Hvordan fik TRAPPIST-1 planeterne deres vand?

I 2017 et internationalt hold af astronomer annoncerede en betydningsfuld opdagelse. Baseret på mange års observationer, de fandt ud af, at TRAPPIST-1-systemet (en M-type rød dværg beliggende 40 lysår fra Jorden) indeholdt ikke mindre end syv klippeplaneter. Lige så spændende var det, at tre af disse planeter blev fundet inden for stjernens beboelige zone (HZ), og at systemet selv har haft 8 milliarder år til at udvikle kemien for livet.

På samme tid, det faktum, at disse planeter kredser tæt omkring en rød dværgstjerne, har givet anledning til tvivl om, at disse tre planeter kunne opretholde en atmosfære eller flydende vand i meget lang tid. Ifølge ny forskning udført af et internationalt hold af astronomer, det hele kommer ned til sammensætningen af ​​affaldsskiven, som planeterne dannede af, og om kometer var i nærheden eller ej for at distribuere vand bagefter.

Holdet ansvarligt for denne forskning blev ledet af Sebastian Marino fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) og omfattede medlemmer fra University of Cambridge, University of Warwick, University of Birmingham, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) og MPIA. Undersøgelsen, der beskriver deres resultater, dukkede for nylig op i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

Med hensyn til hvordan solsystemet opstod, astronomer er af den generelle konsensus om, at det blev dannet for over 4,6 milliarder år siden fra en gaståge, støv og flygtige stoffer (AKA Nebular Hypothesis). Denne teori siger, at disse elementer først smeltede sammen i midten, undergår gravitationssammenbrud for at skabe solen. Over tid, resten af ​​materialet dannede en skive omkring solen, der til sidst samlede sig og dannede planeterne.

Inden for solsystemets ydre rækkevidde, genstande tilovers fra formationen lagde sig ned i et stort bælte, der indeholdt enorme mængder af isteroider - også kendt som Kuiperbæltet. I overensstemmelse med Late Bombardment Theory, vand blev fordelt til Jorden og i hele solsystemet af utallige kometer og iskolde objekter, der blev slået ud af dette bælte og sendt hækkede indad.

Hvis TRAPPIST-1-systemet har sit eget Kuiper-bælte, så er det naturligt, at en lignende proces var involveret. I dette tilfælde, gravitationsforstyrrelser ville have forårsaget, at objekter blev sparket ud af bæltet, der derefter rejste mod de syv planeter for at afsætte vand på deres overflader. Kombineret med de rette atmosfæriske forhold, de tre planeter i stjernens HZ kunne have været tilstrækkelige mængder vand på deres overflader.

Som Dr. Marino forklarede til Universe Today via e-mail:"Tilstedeværelsen af ​​et bælte indikerer, at et system har et stort reservoir af flygtige stoffer og vand. Dette reservoir er typisk placeret længere ude i de kolde områder af et system, imidlertid, der er forskellige processer, der kunne bringe en brøkdel af det vandrige materiale nær HZ-planeter og levere deres indhold. At finde et bælte af kometer er en indikation af, at reservoiret eksisterede i første omgang."

Imidlertid, Dr. Marino inkluderede også den advarsel, at fraværet af et sådant bælte omkring stjerner i dag ikke er et bevis på, at et system ikke ville have en tilstrækkelig forsyning af vand til at understøtte liv. Det er fuldt ud muligt, at systemer, der havde et sådant bælte, oprindeligt mistede dem efter milliarder af års evolution på grund af dynamiske begivenheder. Det er også muligt, at de kan blive for svage til at opdage, da bælter naturligt bliver mindre massive og lyse over tid.

For at søge efter et tegn på et exo-Kuiper bælte omkring TRAPPIST-1 systemet, holdet stolede på data indsamlet af Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Dette array er kendt for dets evne til at detektere genstande, der udsender elektromagnetisk stråling mellem den infrarøde og radiobølgelængde med en høj grad af følsomhed.

Dette gør det muligt for ALMA at visualisere støvkorn og flygtige elementer (som kulilte), der karakteriserer affaldsbælter. Disse er generelt for svage til at se i synligt lys, men udsender termisk stråling på grund af den varme, de absorberer fra deres respektive stjerne. På trods af ALMAs følsomhed, holdet fandt ingen tegn på et exo-Kuiper-bælte omkring TRAPPIST-1.

"Desværre, vi opdagede ikke dette omkring TRAPPIST-1, men vores øvre grænser tillod os at udelukke, at systemet oprindeligt havde et massivt bælte af store kometer i en afstand svarende til Kuiperbæltet, " sagde Dr. Marino. "Det er muligt, selvom, at systemet faktisk blev dannet med et sådant bælte, men det blev fuldstændig forstyrret af en dynamisk ustabilitet i systemet."

De konkluderer endvidere, at TRAPPIST-1-systemet kunne være blevet født med en planetskive, der var mindre end 40 AU i radius og havde mindre end 20 jordmasser værd af materialer. I øvrigt, de teoretiserer, at de fleste af støvkornene i skiven sandsynligvis var blevet transporteret indad og brugt til at danne de syv planeter, der udgør planetsystemet.

Dr. Marino og hans kolleger brugte også deres modelleringskode til at undersøge ALMA-arkivdata om Proxima Centauri og dets system af exoplaneter, som omfatter den klippefyldte og potentielt beboelige Proxima b og den nyfundne superjord Proxima c. I 2017 ALMA-data blev brugt til at bekræfte eksistensen af ​​et koldt støv- og affaldsbælte der, hvilket blev set som en mulig indikation på, at stjernen havde flere exoplaneter.

Også her, deres resultater viste kun øvre grænser for gas- og støvemission, hvilket ville antyde, at Proxima Centauris unge skive er omkring en tiendedel så massiv som den, der dannede vores solsystem. Som Dr. Marino forklarede, denne undersøgelse rejser flere spørgsmål om lavmassestjernesystemer:

"Hvis vi blev ved med at opdage, at denne type system ikke har massive kometbælter, det kunne betyde, at alt det materiale, der blev brugt til at danne disse kometer, i stedet blev brugt til at danne og vokse planeter tættere på. Det er meget usikkert, hvad det betyder for sammensætningen af ​​disse planeter, da det virkelig afhænger af hvor og hvordan disse planeter blev dannet. Bare for at påpege, denne type bælte findes omkring ~20% af nærliggende stjerner, der er som solen eller massive/lysere. Omkring stjerner med lav masse, det har været meget mere udfordrende, og vi kender kun nogle få bælter omkring M-stjerner."

Dette kan skyldes visse skævheder, der gør det nemmere at opdage varmere bælter omkring lysere stjerner end kolde bælter omkring stjerner af M-typen, Dr. Marino tilføjer. Det kan også være resultatet af en eller anden iboende forskel mellem arkitekturen af ​​planetsystemer omkring sollignende stjerner (G-type eller lysere) og dem, der kredser om røde dværge.

Kort sagt, disse resultater efterlader spørgsmålet om, hvor tidligt vand blev transporteret gennem M-type stjernesystemer, et mysterium. På samme tid, de har opmuntret Dr. Marino og hans kolleger til at anvende deres teknikker på yngre og tættere stjernesystemer for at forfine deres modeller og øge sandsynligheden for påvisninger.

Disse bestræbelser vil også drage fordel af nye rumbaserede og jordbaserede teleskoper, der vil komme online i de kommende år. "Nogle næste generations teleskoper forventes at være mere følsomme, og dermed opdage disse bælter, hvis de faktisk er der, men ikke lys nok til at opdage dem med de nuværende teleskoper, " sagde Dr. Marino.

Som med andre opdagelser, disse resultater viser, hvordan exoplanetundersøgelser har gjort overgangen fra opdagelsesprocessen til karakteriseringsprocessen. Med forbedringer i instrumentering og metodologi, vi begynder at se, hvor forskellige og differentierede andre typer stjernesystemer kan være fra vores egne.