Vanjski planeti TRAPPIST-1 sustava vjerojatno imaju vodu

Planetarni sustav TRAPPIST-1 izazvao je veliki interes kada je prvi put promatran prije nekoliko godina. Godine 2016. astronomi su koristeći Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) na opservatoriju La Silla u Čileu otkrili dva stjenovita planeta koji kruže oko crvenog patuljka, koji je dobio ime TRAPPIST-1. Zatim je 2017. godine detaljnija analiza otkrila još pet stjenovitih planeta. Ovo je bilo izvanredno otkriće, posebno jer su čak četiri od njih mogli biti na odgovarajućoj udaljenosti od zvijezde kako bi mogli imati tekuću vodu. Sustav TRAPPIST-1 i dalje privlači veliku znanstvenu pažnju. Potencijalni planeti nalik Zemlji u nastanjivoj zoni zvijezde su poput magneta za planetarne znanstvenike. Pronalaženje sedam takvih planeta u jednom sustavu jedinstvena je znanstvena prilika za ispitivanje svih vrsta međusobno povezanih pitanja o nastanjivosti egzoplaneta. TRAPPIST-1 je crveni patuljak, a jedno od najistaknutijih pitanja o nastanjivosti egzoplaneta odnosi se na crvene patuljke (M patuljke). Da li ove zvijezde i njihove snažne baklje odnose atmosfere s njihovih planeta?
Novo istraživanje prihvaćeno za objavu u časopisu Planetary Science Journal i dostupno na otvorenom serveru arXiv, ispituje atmosferski bijeg na planetima TRAPPIST-1. Megan Gialluca, diplomantica na Odjelu za astronomiju i program astrobiologije na Sveučilištu Washington, glavna je autorica.

M patuljci

Većina zvijezda u Mliječnoj stazi su M patuljci. Kao što TRAPPIST-1 jasno pokazuje, oni mogu imati mnogo terestričkih planeta. Veliki planeti veličine Jupitera su relativno rijetki oko ovih tipova zvijezda. Postoji stvarna mogućnost da većina terestričkih planeta kruži oko M patuljaka. No, baklje sa M patuljaka poznat je problem. Iako su M patuljci mnogo manje mase od našeg Sunca, njihove baklje su puno energičnije od bilo čega što dolazi sa Sunca. Neke baklje M patuljaka mogu udvostručiti svjetlinu zvijezde u samo nekoliko minuta. Još jedan problem je plimsko zaključavanje. Budući da M patuljci emitiraju manje energije, njihove nastanjive zone su mnogo bliže nego zone oko zvijezda glavnog niza poput našeg Sunca. To znači da su potencijalno nastanjivi planeti mnogo vjerojatnije plimski zaključani sa svojim zvijezdama.

To stvara čitav niz prepreka za nastanjivost. Jedna strana planeta bi bila izložena najvećem dijelu baklji i bila bi zagrijana, dok bi druga strana bila stalno tamna i hladna. Ako postoji atmosfera, mogli bi postojati izuzetno snažni vjetrovi. “Kao što su M patuljci najčešće zvijezde u našem lokalnom zvjezdanom susjedstvu, pitanje mogu li njihovi planetarni sustavi podržavati život ključno je pitanje u astrobiologiji koje bi moglo biti podložno promatračkim testovima u bliskoj budućnosti,” pišu autori. “Terestričke planetarne mete od interesa za karakterizaciju atmosfere s domaćinima M patuljcima mogle bi biti dostupne s JWST,” objašnjavaju. Također ističu da bi budući veliki zemaljski teleskopi poput Europskog Vrlo velikog teleskopa i Giant Magellan teleskopa mogli pomoći, ali oni su još godinama daleko od operativnosti. Crveni patuljci i njihovi planeti lakše su za promatranje od drugih zvijezda i njihovih planeta. Crveni patuljci su mali i slabi, što znači da njihova svjetlost ne zasjenjuje planete koliko svjetlost drugih zvijezda glavnog niza. No, unatoč njihovoj nižoj svjetlini i maloj veličini, predstavljaju izazove za nastanjivost.

Uloga zvjezdane aktivnosti

M patuljci imaju dužu fazu prije glavnog niza od drugih zvijezda i najsvjetliji su tijekom tog vremena. Jednom kada su na glavnom nizu, imaju pojačanu zvjezdanu aktivnost u usporedbi sa zvijezdama poput našeg Sunca. Ovi čimbenici mogu otjerati atmosfere s obližnjih planeta. Čak i bez baklji, najbliži planet TRAPPIST-1 (T-1) prima četiri puta više zračenja od Zemlje. “Osim evolucije svjetlosti, pojačana zvjezdana aktivnost također povećava ekstremno ultraljubičasto zračenje (XUV) zvijezda M patuljaka, što pojačava gubitak atmosfere,” pišu autori. To također može otežati razumijevanje spektra iz planetarnih atmosfera stvaranjem lažnih pozitivnih biopotpisa. Očekuje se da egzoplaneti oko M patuljaka imaju guste atmosfere dominirane abiotičkim kisikom. Unatoč izazovima, sustav T-1 je velika prilika za proučavanje M patuljaka, atmosferskog bijega i nastanjivosti stjenovitih planeta. “TRAPPIST-1 je prioritetna meta za opća i zajamčena promatranja JWST-a,” pišu autori. JWST je već promatrao dijelove sustava TRAPPIST-1, a ti podaci su uključeni u ovo istraživanje. U ovoj studiji, istraživači su simulirali rane atmosfere za svaki planet u sustavu TRAPPIST-1 (u daljnjem tekstu T-1), uključujući različite početne količine vode izražene u Zemaljskim Oceanima (ZO). Također su modelirali različite razine zvjezdanog zračenja tijekom vremena. Njihove simulacije koristile su najnovije podatke za planete T-1 i razmatrale različite putanje evolucije planeta.

Rezultati nisu optimistični, posebno za planete najbliže crvenom patuljku. “Otkrivamo da su unutarnji planeti T1-b, c i d vjerojatno potpuno izgubili vodu, osim ako nisu imali iznimno velike početne količine vode (>60, 50 i 30 ZO, redom), te su pod najvećim rizikom od potpunog gubitka atmosfere zbog svoje blizine matičnoj zvijezdi,” objašnjavaju istraživači. Međutim, ovisno o početnoj količini ZO, mogli bi zadržati značajne količine kisika. Taj kisik mogao bi biti lažno pozitivan znak za biopotpise. Vanjski planeti prošli su nešto bolje. Mogli bi zadržati dio svoje vode osim ako im početna količina nije bila vrlo niska, oko 1 ZO. “Otkrivamo da T1-e, f, g i h gube najviše otprilike 8,0, 4,8, 3,4 i 0,8 ZO, redom,” pišu autori. Ovi vanjski planeti vjerojatno imaju više kisika nego unutarnji planeti. Budući da su T1-e, f i g u nastanjivoj zoni zvijezde, to je intrigantan rezultat. T-1c je posebno zanimljiv jer, prema simulacijama, zadržava najviše atmosferskog kisika bez obzira na početnu količinu ZO.

Potencijalna nastanjivost planeta u sustavu T-1 ključno je pitanje u znanosti o egzoplanetima. Tip zvijezde, broj stjenovitih planeta i lakoća promatranja čine ga vrhunskim ciljem za daljnja istraživanja. Nikada nećemo uistinu razumjeti nastanjivost egzoplaneta ako ne razumijemo ovaj sustav. Jedini način da ga bolje razumijemo je detaljno promatranje. “Ovi zaključci motiviraju daljnja promatranja kako bi se tražila prisutnost vodene pare ili kisika na T1-c i buduća promatranja vanjskih planeta u sustavu TRAPPIST-1, koji bi mogli posjedovati značajne količine vode,” zaključuju autori