Съвсем наскоро коментирахме откриването на Proxima b, планета, превърнала се в череша на върха на екзопланетна торта. И на 22 февруари 2017 г. с фанфари беше обявено откриването на три планети наведнъж в обитаемата зона на друго червено джудже - TRAPPIST-1. Тази система е близо десет пъти по-далеч от Proxima Centauri, но има поне две обстоятелства, които правят находката втората череша на тортата през последните няколко месеца. То:
- има три планети в обитаемата зона наведнъж, това увеличава вероятността поне една от тях да е подходяща за живот;
- тези планети, за разлика от Proxima b, са преходни, тоест преминават по диска на звездата за земен наблюдател, което значително улеснява наблюдението на техните атмосфери.
Няколко думи за историята на сензацията. Системата е открита през 2015 г. от малкия белгийски телескоп TRAPPIST. Името - Transiting Planets и Planetesimals Small Telescope South - е съобразено с белгийската марка бира. Телескопът се намира в Чили в обсерваторията La Silla на Европейската южна обсерватория.
С негова помощ бяха открити три транзитни планети близо до студеното червено джудже 2MASS J23062928-0502285 [1], което получи второто, по-човешко име TRAPPIST-1 - това беше първата планетарна система, открита от този телескоп. Тогава системата беше наблюдавана от европейския телескоп VLT (Very Large Telescope) и накрая, благодарение на данните на инфрачервения телескоп на NASA Spitzer, системата беше „разплетена“и беше установено, че има седем планети. Всъщност последната стъпка беше пресконференцията на НАСА на 22 февруари.
Фигура: 1. Крива на светлината на звездата TRAPPIST-1 по време на 20-дневната сесия на космическия телескоп Spitzer. Зелени точки - наблюдения с наземни телескопи. Вертикална - светимостта на звездата в момента спрямо средната яркост. Диамантите маркират транзита на определени планети. Изхвърлянията нагоре на точките най-вероятно са звездни изригвания. Има само един транзит на планета h. Неговият период и радиусът на орбитата се изчисляват от продължителността на единичен транзит (вж. Фиг. 2)
Фигура: 2. Криви на светлината на звездата по време на транзитите на всяка от седемте планети
Промоционално видео:
Обитаемата зона включва планетите e, f, g, въпреки че на пръв поглед планетата d е по-подходяща за интензивност на нагряване от g. Това изисква доста сложна дискусия с оценки на възможния парников ефект, включително много несигурности. Разбира се, концепцията за обитаема зона е много произволна.
Без значение как определяме обитаемата зона, има сериозни проблеми с реалната годност за живот на всяка от тези планети. Същите проблеми като Proxima b. Те са свързани с природата на червените джуджета.
1. Това са звезди с много бурна магнитна активност. Те имат дебел конвективен слой. За разлика от Слънцето, където топлината се пренася навън главно чрез дифузия на фотони, там преобладава конвекцията. Слънцето също има конвекция, поради което се появяват петна, изригвания, изпъкналости, а на Земята - магнитни бури и сияния. Там всички тези явления са много по-интензивни.
2. Светимостта на тези звезди в началото на тяхната биография се променя значително. През първите милиони години те блестят десетки или дори стотици пъти по-ярко, отколкото в стабилно състояние.
3. Обитаемата зона на червените джуджета е толкова близо до звездата, че планетите попадат в приливно затваряне: или те винаги са обърнати към звездата с една страна, или денят върху тях е по-дълъг от годината им (за системата TRAPPIST-1 първият вариант е по-вероятно).
Какво да правим, природата за втори път за по-малко от година ни подхлъзва точно такива не особено насърчаващи планетни системи. Това не е изненадващо - намирането им е много по-лесно чрез спектрометричния метод (невъзможно е да се открие Земята близо до Слънцето по този начин), по-вероятно е да се окажат преходни и транзитите са по-контрастни, накрая има повече червени джуджета, отколкото жълти и оранжеви.
Фигура: 3. Едновременен транзит на три планети. Крива на светлината, направена на 11 декември 2015 г. с европейския телескоп VLT
И така, данните за системата TRAPPIST-1 са намерени (ние не представяме грешки).
| Планета | Радиус на орбитата | Период | Радиус на планетата | Интензитет на нагряване (в наземни единици) |
| б | AU 0,011 | 1,51 дни | 1.09 Re | 4.25 |
| ° С | 0,015 | 2.42 | 1.06 | 2.27 |
| д | 0,021 | 4.05 | 0,77 | 1.14 |
| д | 0,028 | 6.10 | 0,92 | 0,66 |
| е | 0,037 | 9.21 | 1.04 | 0,38 |
| ж | 0,045 | 12.35 | 1.13 | 0,26 |
| з | 0,063 | ~ 20 | 0,75 | 0,13 |
Звезда. Маса - 0,08 слънчева, радиус -0,117 слънчева, светимост - 0,5103 слънчева, температура 2550К
Беше възможно приблизително да се оценят масите на планетите - поради тяхното взаимодействие транзитите са леко изместени във времето. Грешките при определяне на масата са големи, но вече можем да заключим, че плътността на планетите съответства на скалния пълнеж.
Разбира се, в обозримо бъдеще ще бъдат открити земноподобни планети в близост до подобни на слънце звезди. Всъщност няколко такива планети вече са намерени в данните на Кеплер, но те са много далеч. Достатъчно е да наблюдавате няколкостотин ярки звезди по небето (което се планира през следващите години) и такива планети ще бъдат открити в рамките на сто светлинни години (а ако имате късмет, дори по-близо).
Всъщност удобните планети в близост до удобни звезди са в рамките на 15–20 светлинни години (това следва от статистиката, получена от Кеплер), но за да бъдат открити, са необходими космически интерферометри, които няма да се появят скоро (вж. [2]).
Остава надеждата, че поне една от планетите е подходяща за живот. Първоначално можеха да имат много вода - не можеха да се образуват там, където са сега, и трябваше да мигрират към звездата от периферията на протопланетния диск - заради снежната линия, където има много ледени тела. Вярно е, че те са мигрирали още в епохата, когато звездата е била много по-ярка. Но изчисленията, направени за Proxima b, показват, че хидросферите на планетите могат да оцелеят в изгаряща жега от десетки милиони години.
Приливното затваряне не е фатално, ако планетата има гъста атмосфера и глобален океан - тогава преносът на топлина е в състояние да изглади температурната разлика между дневното и нощното полукълба.
По-сериозен проблем е издухването на атмосферата от звезден вятър и силно излъчване. На пресконференцията беше казано, че звездата сега е спокойна. Това е вярно, ако имаме предвид топлинно лъчение, но не и рентгенови лъчи: TRAPPIST-1 - измерен директно от космическата обсерватория XMM - излъчва приблизително същото количество рентгенови лъчи като Слънцето. Тъй като планетите са десет пъти по-близо до звездата, отколкото Земята до Слънцето, тяхното рентгеново излъчване е с три порядъка по-високо от това на Земята.
Рентгеновите лъчи не представляват пряка заплаха за живота - те се абсорбират от атмосферата. Проблемът е в дехидратацията на планетата: рентгеновите лъчи и твърдата ултравиолетова светлина разбиват водните молекули - водородът лесно се изпарява, кислородът се свързва. Още по-лошо, тъй като има интензивен рентгенов лъч, трябва да има интензивен звезден вятър - той отстранява външните слоеве на атмосферата. Единственото спасение в този случай е магнитното поле на планетата. Дали тези планети имат достатъчно силно поле е въпрос. Може би има.
И така, надеждата остава, че някои от планетите на системата TRAPPIST-1 са подходящи за живот. Може ли тази надежда да бъде потвърдена или отказана? Възможно е и много по-лесно, отколкото в случая с Proxima b, при който човек трябва да наблюдава или отразеното, или собственото топлинно излъчване на планетата.
Много е трудно да се отдели от излъчването на звездата. Тук атмосферите на планетите могат да се наблюдават в светлината, което е несравнимо по-лесно.
В случая с Proxima b, новият космически телескоп на Джеймс Уеб ще може да покаже нещо само в краен случай: едното полукълбо е горещо, другото е замръзнало. В случая на TRAPPIST-1 е реалистично да видим абсорбционни линии в атмосферите на планетите. Или поставете някои ограничения отгоре. Едно такова ограничение вече е зададено: вътрешните планети нямат гъста водородна атмосфера.
Фигура: 4. Диаграма на орбитите на системата TRAPPIST-1. Обитаемата зона е маркирана в сиво. Пунктирани кръгове - то е в малко по-различна интерпретация
Има ли теоретична възможност Джеймс Уеб да открие живота на една от тези планети? Най-красноречивият маркер на живота е кислородът. Той е напълно откриваем и като озон, и като O2. Друго нещо е, че може да се образува определено количество кислород, например поради дисоциацията на водните молекули от твърдото излъчване на звезда. Оценката колко кислород е надежден маркер не е лесна. Необходимо е да се знае скоростта на дисоциация и скоростта на свързване на кислорода - има много несигурности. Но ако има толкова кислород, колкото на Земята, няма къде да отидем: само животът може да даде това. Ако има малко кислород, това не означава, че няма живот: имаше малко кислород на Земята през първите няколко милиарда години от живота.
В заключение бих искал да изразя съжалението си, че Русия заобиколи изследването на екзопланетите. Има хора и индивидуални работни места, но нищо повече. Но тази област не изисква гигантски инсталации - по-скоро сиво вещество и постоянство, отколкото нашата наука винаги е била в състояние да се похвали. Известна надежда дава руският проект „Милиметрон“- криогенен космически телескоп с 10-метрово огледало: изследването на екзопланетите е една от първите точки в проекта. Това обаче е тема за отделна публикация.
Борис Щерн, астрофизик, д-р. физически -мат. науки, доведе. научна. сотр. Институт за ядрени изследвания RAS (Троицк)