Красный карлик TRAPPIST-1 является домом для самой большой группы планет размером примерно с Землю, когда-либо найденных в одной звездной системе. Расположенные примерно в 40 световых годах от нас, эти семь скалистых братьев и сестер представляют собой пример огромного разнообразия планетных систем, которые, вероятно, заполняют Вселенную.

Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Planetary Science Journal, показывает, что планеты TRAPPIST-1 имеют удивительно схожую плотность. Это может означать, что все они содержат примерно одинаковое соотношение материалов, которые, как считается, составляют большинство скалистых планет, таких как железо, кислород, магний и кремний. Но если это так, то это соотношение должно заметно отличаться от Земного: планеты ТРАППИСТ-1 примерно на 8% менее плотны, чем они были бы, если бы имели тот же состав, что и наша родная планета. Основываясь на этом выводе, авторы статьи предположили, что несколько различных смесей ингредиентов могут дать планетам TRAPPIST-1 измеренную плотность.

Некоторые из этих планет были известны с 2016 года, когда ученые объявили, что они обнаружили три планеты вокруг звезды TRAPPIST-1 с помощью Малого телескопа Transiting Planets and Planetesimals (TRAPPIST) в Чили. Последующие наблюдения, проведенные ныне вышедшим на пенсию космическим телескопом НАСА "Спитцер" в сотрудничестве с наземными телескопами, подтвердили существование двух первоначальных планет и открыли еще пять. Управляемый Лабораторией реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, Спитцер наблюдал за системой более 1000 часов, прежде чем был выведен из эксплуатации в январе 2020 года. Космические телескопы НАСА "Хаббл" и ныне ушедший в отставку "Кеплер" также изучали эту систему.

Все семь планет TRAPPIST-1, которые находятся так близко к своей звезде, что могли бы вписаться в орбиту Меркурия, были найдены транзитным методом: ученые не могут видеть планеты непосредственно (они слишком малы и слабы относительно звезды), поэтому они ищут провалы в яркости звезды, возникающие, когда планеты пересекаются перед ней.

Повторные наблюдения за падением звездного света в сочетании с измерениями времени обращения планет позволили астрономам оценить массы и диаметры планет, которые, в свою очередь, использовались для расчета их плотностей. Предыдущие расчеты определили, что планеты примерно равны по размеру и массе Земле и, следовательно, также должны быть скалистыми или земными—в отличие от газовых, таких как Юпитер и Сатурн. Новая работа предлагает наиболее точные измерения плотности для любой группы экзопланет—планет за пределами нашей Солнечной системы.

Чем точнее ученые знают плотность планеты, тем больше ограничений они могут установить на ее состав. Учтите, что пресс-папье может быть примерно того же размера, что и бейсбольный мяч, но обычно намного тяжелее. Вместе ширина и вес показывают плотность каждого предмета, и из этого можно сделать вывод, что бейсбольный мяч сделан из чего-то более легкого (веревка и кожа), а пресс-папье-из чего-то более тяжелого (обычно стекло или металл).

Плотность восьми планет в нашей Солнечной системе сильно различается. Пухлые газовые гиганты-Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун—крупнее, но гораздо менее плотные, чем четыре земных мира, потому что они состоят в основном из более легких элементов, таких как водород и гелий. Даже четыре земных мира демонстрируют некоторое разнообразие в своих плотностях, которые определяются как составом планеты, так и сжатием из-за гравитации самой планеты. Вычитая влияние гравитации, ученые могут вычислить так называемую несжатую плотность планеты и потенциально узнать больше о ее составе.

Семь планет ТРАППИСТ-1 обладают сходными плотностями—значения отличаются не более чем на 3%. Это делает систему совершенно отличной от нашей. Разница в плотности между планетами ТРАППИСТ-1 и Землей и Венерой может показаться небольшой—около 8% – но она значительна в планетарном масштабе. Например, один из способов объяснить, почему планеты TRAPPIST-1 менее плотны, заключается в том, что они имеют сходный состав с Землей, но с более низким процентом железа—около 21% по сравнению с 32% Земли, согласно исследованию.

Кроме того, железо на планетах ТРАППИСТ-1 может быть насыщено высоким содержанием кислорода, образуя оксид железа или ржавчину. Дополнительный кислород уменьшит плотность планет. Поверхность Марса приобретает красный оттенок от оксида железа, но, как и три его земных брата, она имеет ядро, состоящее из неокисленного железа. Напротив, если бы более низкая плотность планет ТРАППИСТ-1 была вызвана исключительно окисленным железом, планеты должны были бы быть ржавыми повсюду и не могли иметь твердых железных ядер.

Эрик Агол, астрофизик из Вашингтонского университета и ведущий автор нового исследования, сказал, что ответ может быть комбинацией двух сценариев—меньше железа в целом и некоторое количество окисленного железа.

Команда также изучила, может ли поверхность каждой планеты быть покрыта водой, которая даже легче ржавчины и которая изменит общую плотность планеты. Если бы это было так, вода должна была бы составлять около 5% от общей массы внешних четырех планет. Для сравнения, вода составляет менее одной десятой от 1% общей массы Земли.

Поскольку они расположены слишком близко к своей звезде, чтобы вода оставалась жидкой в большинстве случаев, три внутренние планеты ТРАППИСТА-1 потребовали бы горячей, плотной атмосферы, такой как Венера, чтобы вода могла оставаться связанной с планетой в виде пара. Но Агол говорит, что это объяснение кажется менее вероятным, потому что было бы совпадением, если бы на всех семи планетах было достаточно воды, чтобы иметь такую же плотность.

"Ночное небо полно планет, и только за последние 30 лет мы смогли начать разгадывать их тайны",-сказала Кэролайн Дорн, астрофизик из Цюрихского университета и соавтор статьи. "Система ТРАППИСТ-1 завораживает, потому что вокруг этой звезды мы можем узнать о разнообразии скалистых планет в пределах одной системы. И мы действительно можем узнать больше о планете, изучая ее соседей, так что эта система идеально подходит для этого."

ИСТОЧНИК