Har TRAPPIST-1 planeterne atmosfære?

I februar 2017 det videnskabelige samfund glædede sig, da NASA annoncerede, at en nærliggende stjerne (TRAPPIST-1) havde et system med ikke mindre end syv klippeplaneter. Siden den gang, astronomer har udført alle slags opfølgende observationer og undersøgelser i håb om at lære mere om disse exoplaneter. I særdeleshed, de har forsøgt at finde ud af, om nogen af ​​planeterne i stjernernes beboelige zoner (HZ) faktisk kunne være beboelige.

Mange af disse undersøgelser har været optaget af, hvorvidt TRAPPIST-1-planeterne har tilstrækkeligt med vand på deres overflader. Men lige så vigtigt er spørgsmålet om, hvorvidt nogen har levedygtige atmosfærer. I en nylig undersøgelse, der giver et overblik over alle observationer til dato på TRAPPIST-1 planeter, et hold fandt ud af, at afhængigt af den pågældende planet, de vil sandsynligvis have en god atmosfære, hvis nogen overhovedet.

Studiet, som for nylig udkom i bladet Astrobiologi , blev udført af et internationalt hold af forskere fra Geneva Astronomical Observatory (GAO), universitetet i Bern, Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB), Astrophysics Research Group ved Imperial College London, og Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) ved University of Colorado.

I første omgang, det var et hold af astronomer fra universitetet i Liège, Belgien, som opdagede tre af systemets exoplaneter ved hjælp af transitspektroskopi. For denne metode, astronomer overvåger stjerner for fald i deres lysstyrke, som er resultatet af planeter, der passerer foran stjernen i forhold til observatøren.

Systemet fik navnet TRAPPIST-1 til ære for det instrument, der blev brugt til at opdage dem, Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST), placeret ved ESO's La Silla-observatorium i Chile og Observatoire de l'Oukaïmeden i Marokko. I februar 2017 eksistensen af ​​yderligere fire exoplaneter blev bekræftet, samt det faktum, at tre kredsede med stjernens HZ.

Lige siden dengang, TRAPPIST-1-systemet er blevet betragtet som en fremragende kandidat af astronomer til exoplanetforskning. Det er der en række årsager til, som Martin Turbet (en postdoc-forsker ved GAO og hovedforfatteren på undersøgelsen) forklarede til Universe Today via e-mail:

"TRAPPIST-1-systemet er meget velegnet til beboelighedsstudier, fordi det er planetsystemet lavet af potentielt beboelige exoplaneter, der er lettest at observere og dermed karakterisere med teleskoper. Dette skyldes primært, at (1) TRAPPIST-1 systemet er meget nærliggende (39 lysår fra os), (ii) planeterne passerer (hyppigt) foran deres stjerne, og (iii) værtsstjernen TRAPPIST-1 er en ultra-cool dværg med en ekstremt lille radius."

Kort sagt, at have syv exoplaneter omkring en stjerne betyder, at der vil være masser af muligheder for at få øje på dem, der passerer foran stjernen. Ved disse lejligheder, astronomer er i stand til at samle spektre fra planeten, når lyset fra stjernen passerer rundt om planeten og gennem dens atmosfære (en proces kendt som transmissionsspektroskopi). Forskere er derefter i stand til at undersøge disse data for at bestemme, hvilke kemiske elementer der er til stede.

Fordi TRAPPIST-1 er en M-type (rød dværg) stjerne - som har lav masse, fedt nok, og relativt svag sammenlignet med andre typer stjerner - transmissionsspektroskopi opnået fra dets planeter er mindre tilbøjelige til at blive udsat for transitlyskildeeffekten (TLSE, eller "stjerneforurening"). Det er her spektraaflæsninger opnået fra planeterne kastes af spektre fra selve stjernen.

Imidlertid, ikke al den forskning, der er udført hidtil, har været særlig opmuntrende. Faktisk, der er blevet udført flere undersøgelser, der indikerede, at for nogle af TRAPPIST-1 planeterne, vand kan udgøre en stor del af deres masse (gør dem til "vandverdener"). Oven i købet, der er røde dværgstjerners natur, som er tilbøjelige til opblussen, der kan skabe kaos på deres planeters atmosfære.

Imidlertid, andre undersøgelser har fundet ud af, at exoplaneter, der kredser om røde dværge, stadig kunne være beboelige, så længe de havde tilstrækkelig atmosfære og skydække til at håndtere strålingen. For at vurdere sandsynligheden for, at TRAPPIST-1 planeterne havde sådanne atmosfærer, Turbet og hans kolleger overvejede alle de data, der er blevet opnået på TRAPPIST-1-systemet til dato.

Dette inkluderer transitobservationer foretaget af planeterne, samt tæthedsmålinger, transmissionsspektroskopi, systemets bestrålingsmiljø, teorier om planetarisk dannelse og migration, planeternes orbitale stabilitet, klimamodellering, og modeller, der overvejer, hvor meget gas planeterne mister til rummet (alias flugtmodeller).

"Vi har gennemgået alle eksisterende værker om emnet, lige fra observationer med de bedste teleskoper til rådighed (Hubble Space Telescope, Spitzer rumteleskop, Meget stort teleskop, osv.) til de mest sofistikerede teoretiske modeller såsom tredimensionelle numeriske klimamodeller, " sagde Turbet.

Det, de fandt, var ret opmuntrende. Til at begynde med, de var i stand til at bestemme, at de fleste af TRAPPIST-1 planeterne havde skyfri, lavmolekylære atmosfærer, svarende til, hvordan Jordens oprindelige atmosfære var. Sekund, de fandt overbevisende beviser for, at de planeter, der havde atmosfærer, sandsynligvis var sammensat af elementer, der har højere atomvægt. Turbet sagde, "Vi fandt ud af, at de syv TRAPPIST-1-planeter sandsynligvis ikke har brintdominerede atmosfærer. Vi foreslog også, at atmosfærerne (hvis de er til stede) på TRAPPIST-1-planeterne med stor sandsynlighed er kuldioxid-dominerede, iltdomineret eller vanddomineret."

Med andre ord, af de syv TRAPPIST-1 planeter, dem, der har atmosfærer, vil sandsynligvis have den slags, der er gunstige for livet (i hvert fald som vi kender det). Det betyder kuldioxid, en væsentlig klimastabilisator, der er nødvendig for fotosyntetiske organismer, ilt gas, nitrogen, og flygtige elementer som vand. Det inkluderer også skydække, hvilket ikke kun er en indikation af vand, men giver beskyttelse mod stjernestråling.

Desværre, Turbet og hans kolleger kan ikke med sikkerhed sige, at TRAPPIST-1-planeterne har atmosfærer med alle disse elementer. Denne undersøgelse gør, imidlertid, lægge begrænsninger på denne mulighed baseret på, hvad vi ved om systemet indtil videre. Til sidst, at vide, om nogen af ​​exoplaneterne i dette system er beboelige, bliver nødt til at vente på næste generations teleskoper. Turbet sagde, "Næste generations missioner - især James Webb Space Telescope og de nær-infrarøde jordbaserede spektrografer - vil have magten til at detektere 'tunge' molekyler såsom kuldioxid, ilt, metan, osv. og dermed kan de have potentialet til at bestemme, hvorvidt TRAPPIST-1 planeterne har atmosfærer, og i så fald hvad de er lavet af."

JWST er planlagt til at lancere næste år, der henviser til, at jordbaserede teleskoper udstyret med næste generations spektrografer forventes at komme online i løbet af dette årti. Med disse og endnu mere kraftfulde instrumenter planlagt for fremtiden, astronomer forventer endelig at vide med sikkerhed, om deres liv er hinsides Jorden i vores hjørne af galaksen.