Расположение планет в системах TRAPPIST-1 и TOI-178 опровергло ожидания астрономов

Два плотно расположенных семейства экзопланет раздвигают границы того, как может выглядеть планетная система. Новые исследования состава миров, вращающихся вокруг двух разных звезд, показывают широкий спектр планетарных возможностей, и все они отличаются от нашей Солнечной системы, пишет Лиза Гроссман в ScienceNews.

планеты звездной системы TOI-178

«Когда мы изучаем многопланетные системы, в этих системах просто хранится больше информации», чем на любой отдельной планете, – говорит геофизик Кэролайн Дорн из Цюрихского университета. Совместное изучение планет «говорит нам о разнообразии внутри системы, которое мы не можем получить, глядя на отдельные планеты».

Дорн и его коллеги изучили старую любимую планетную систему под названием TRAPPIST-1, в которой находятся семь планет размером с Землю, вращающихся вокруг маленькой тусклой звезды, расположенной на расстоянии около 40 световых лет от нас. Другая группа исследователей изучала недавно идентифицированную систему под названием TOI-178, в которой есть по крайней мере шесть планет – три уже известных и три недавно обнаруженных – которые вращаются вокруг яркой горячей звезды, находящейся на расстоянии примерно 200 световых лет от нас.

Обе системы предлагают планетологам преимущество перед более чем 3000 других семейств экзопланет, обнаруженных на сегодняшний день: все семь планет в TRAPPIST-1 и все шесть в TOI-178 имеют хорошо известные массы и радиусы. Это означает, что ученые-планетологи могут определить их плотность, что является ключом к составу планет.

Две системы также имеют еще одно преимущество: планеты расположены так близко к своим звездам, что большинство из них вовлечено в тонкий орбитальный танец, называемый резонансной цепью. Каждый раз, когда внешняя планета завершает оборот вокруг своей звезды, некоторые из ее ближайших родственных планет совершают несколько оборотов.

“Цепи резонанса – хрупкие устройства, и даже незначительное сбивание планеты с ее орбиты может разрушить их. Это означает, что системы TRAPPIST-1 и TOI-178 должны были формироваться медленно и плавно”, – отмечает астроном Адриен Лелеу из Женевского университета.

Планеты TOI-178 участвуют в тонком орбитальном танце, называемом резонансной цепью, который предполагает плавное формирование системы. Это видео иллюстрирует этот ритмичный танец: когда внешняя планета совершает один полный оборот, внутренние планеты совершают несколько оборотов. Каждой полной и половинной орбите соответствует музыкальная нота. Когда планеты выравниваются, ноты гармонируют.

«Мы не думаем, что могли быть гигантские столкновения или сильные взаимодействия, когда одна планета выбросила другую”, – говорит Лелеу.

Эта плавная эволюция дает астрономам уникальную возможность использовать TRAPPIST-1 и TOI-178 в качестве испытательных площадок для теории планет.

В паре статей две команды описывают эти системы с беспрецедентной детализацией. Обе они противоречат тенденции, которую астрономы ожидали от теорий формирования планетных систем.

«При идеальном сценарии мы ожидаем, что планеты, расположенные дальше от звезды… будут иметь больше компонент газов водорода и гелия, чем планеты, расположенные ближе к звезде», – говорит астрофизик Лесли Роджерс из Чикагского университета, не участвовавший ни в одном исследовании.

Чем ближе к звезде, тем плотнее должна быть планета. Это потому, что более далекие планеты, вероятно, образовались там, где холодно, и изначально было больше материала с низкой плотностью, такого как замороженная вода. Кроме того, звездный свет может легче отделить атмосферы от близких планет, чем от далеких, оставляя внутренние планеты с более тонкими атмосферами – или вообще без атмосферы.

TOI-178 полностью игнорирует эту тенденцию. Самые внутренние планеты кажутся каменистыми, с плотностью, подобной земной. Третья «очень пушиста», по словам Лелеу, с плотностью, как у Юпитера, но на гораздо меньшей планете. Следующая планета имеет плотность, как у Нептуна, около одной трети плотности Земли. Затем есть одна с плотностью около 60 процентов от Земли, все еще достаточно пушистая, и последняя планета похожа на Юпитер.

«Орбиты, кажется, указывают на то, что не было сильной эволюции от формирования [системы], – говорит Лелеу. – Но композиции не такие, как мы ожидали бы от плавного остроения диска».

С другой стороны, септет планет TRAPPIST-1 очень похож между собой. Каждый мир примерно такого же размера, как Земля , от 0,76 до 1,13 радиуса Земли, сообщил астрофизик Эрик Агол из Вашингтонского университета в Сиэтле и его коллеги в 2017 году. Кроме того, по крайней мере, три из них находятся в обитаемой зоне звезды, где температура может быть подходящей для жидкой воды.

Теперь Агол, Дорн и его коллеги провели самые точные измерения масс TRAPPIST-1. Все семь миров почти идентичны друг другу, но немного менее плотны, чем Земля, сообщает группа исследователей в февральском журнале Planetary Science Journal. Это означает, что планеты могут быть каменистыми, но в них будет меньше тяжелых элементов, таких как железо, по сравнению с Землей. Или это может означать, что у них есть больше кислорода, связанного с железом в их породах, «в основном ржавчина», – подчеркивает Агол.

Планеты TRAPPIST-1 могут иметь три разных состава
Семь планет TRAPPIST-1, кажется, имеют похожий состав друг на друга, но отличаются от Земли. Они могли иметь земной состав, но с меньшим ядром, богатым железом (в центре), или вообще не иметь ядра (слева). У них также могут быть глубокие океаны (справа), но внутренние три планеты, вероятно, слишком горячие.

По словам Роджерс, окисленное железо не образует ядро ​​планеты, что может быть плохой новостью для жизни. Отсутствие ядра может означать отсутствие магнитного поля для защиты планет от разрушительных вспышек звезды.

Однако непонятно, как образовывать планеты без ядра.

«Есть предложения о том, как сформировать такие планеты, но на самом деле у нас нет ни одного кандидата в солнечной системе, где мы это видим», – говорит Дорн.

Аналогами в Солнечной системе являются все тела размером с астероид, гораздо менее массивные, чем Земля.

Скоро астрономы смогут лучше понять состав планет TRAPPIST-1. Космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на октябрь, будет исследовать атмосферы планет (если они есть) на предмет наличия химических элементов, которые позволят более подробно раскрыть, из чего они сделаны.

По словам Роджерс, сходство планет TRAPPIST-1 друг с другом не так удивительно, как различия между планетами TOI-178. Но они все равно неожиданные. По ее словам, если все планеты имеют одинаковый состав, то любая модель образования должна это объяснить.

По словам Дорн, хотя эти системы ставят под сомнение взгляды астрономов на возможные виды планет, потребуется открытие большего количества многопланетных систем, чтобы понять, насколько они на самом деле странные.

Читайте обзоры:

-->