Планетная система Trappist-1 удостоилась отдельной пресс-конференции Национального аэрокосмического агентства США (NASA). У слабой, тусклой карликовой звезды, удаленной от Солнечной системы на 12,1 + 0,4 парсек (примерно 39 световых лет), обнаружено семь транзитных землеразмерных планет, образующих компактную плотно упакованную систему, связанную многочисленными орбитальными резонансами. Минимум три из семи планет находятся в обитаемой зоне и могут иметь на поверхности жидкую воду.
Планетная система Trappist-1
|
Фото: NASA/JPL-Caltech
До недавнего времени обнаруживать аналоги Земли — планеты земного типа, на поверхности которых может находиться жидкая вода и которые могут давать приют жизни, было невозможно. Аналоги Земли светят отраженным светом, и этот слабый свет буквально тонет в лучах яркой близкой звезды, поэтому экзо-Земли нельзя увидеть на снимках. Гравитационное притяжение Земли заставляет Солнце вращаться вокруг общего центра масс, но скорость этого движения составляет всего примерно 9 см/с, поэтому "вторую Землю" нельзя обнаружить и методом измерения лучевых скоростей (типичная погрешность измерения лучевых скоростей звезд с помощью лучших современных спектрографов составляет примерно 1 м/с). Наконец, транзит аналога Земли по диску звезды — аналога Солнца ослабит ее блеск всего на 0,0084%. Надежно зафиксировать такое ничтожное падение блеска может только специализированный космический телескоп — например, космический телескоп имени Кеплера. Но даже ему придется непрерывно наблюдать за звездой несколько лет, чтобы убедиться, что такие ослабления блеска происходят регулярно, их глубина и продолжительность одинаковы, а значит, они вызваны именно транзитом планеты, а не проявлением звездной активности.
Пока речь шла о поиске экзо-Земель у звезд — аналогов Солнца. Однако большинство звезд в нашей Галактике — красные карлики: более легкие, холодные и тусклые, нежели Солнце. Например, масса звезды Trappist-1 составляет всего 8,0% + 0,7% от массы Солнца, а ее радиус — 11,7% + 0,4% радиуса Солнца; температура же поверхности (2560 + 50К) ниже температуры нити в лампочке накаливания! Trappist-1 светит в 1908 раз слабее Солнца, а размеры этой звезды всего на несколько процентов превышают размеры Юпитера.
Искать планеты земного типа у маленьких звезд проще, потому что когда планета земного типа проходит по маленькому диску красной карликовой звезды, глубина транзита оказывается больше, а сами транзиты — резче и заметнее, чем при проходе той же планеты по крупному диску звезды солнечного типа (глубина транзита составляет ~(Rp/Rstar)2). А из-за низкой светимости красных карликов зона, где на поверхности планет может находиться жидкая вода, расположена близко к звезде, орбитальный период планет в этой зоне составляет всего несколько суток, и не нужно годы следить за звездой, чтобы увидеть несколько транзитов одной планеты.
Несколько наземных транзитных обзоров (специальных наблюдательных программ) оптимизировано под поиск планет именно у красных карликов. Один из них и называется Trappist (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope). Наблюдения ведутся с помощью 60-сантиметрового автоматического телескопа Европейской южной обсерватории в Ла-Силья, Чили. 40% времени этого телескопа тратится на получение кривых блеска 60 сравнительно близких красных карликов спектральных классов M5 и еще более холодных. Высокое качество фотометрии позволяет обнаруживать транзиты планет размером с Землю и даже еще меньших.
Сначала у звезды Trappist-1 обнаружили две транзитные планеты с орбитальными периодами 1,51 и 2,42 земных суток. Кроме того, кривая блеска звезды продемонстрировала еще два транзитных события, подсказавших исследователям, что в системе есть еще как минимум одна транзитная экзопланета. Звезду Trappist-1 изучали с помощью множества инструментов, как наземных, так и космических. Исследователям удалось засечь проход по диску звезды предполагаемой планеты Trappist-1 d, который произошел в одно время с транзитом планеты Trappist-1 c. Наблюдения проводились камерой HAWK I, находящейся на Очень большом телескопе (Very Large Telescope).
Высокое качество фотометрии позволило определить, что этот транзит даже не двойной, а тройной, то есть в этот момент по диску звезды проходили сразу три планеты!
В феврале и марте 2016 года звезду Trappist-1 наблюдал космический телескоп имени Спитцера, а с мая начались интенсивные наземные наблюдения как на обоих 60-сантиметровых телескопах обзора Trappist, так и на более крупных инструментах — 3,8-метровом телескопе UKIRT на Гавайях, 4-метровом телескопе Вильяма Гершеля и 2-метровом Ливерпульском телескопе в Ла-Пальме и метровом телескопе SAAO в ЮАР. Кульминацией этой кампании стали непрерывные 20-суточные наблюдения на Спитцере в инфракрасных лучах с длиной волны 4,5 мкм.
Совместными усилиями у звезды Trappist-1 обнаружили целых семь транзитных планет! И все они оказались сравнимы по размеру с Землей.
Измеряя глубину транзитов планет по диску их звезды, можно узнать их размеры; интервал между соседними транзитами соответствует орбитальному периоду, наконец, зная орбитальный период, по третьему закону Кеплера можно определить еще и большую полуось орбиты планеты (а значит, и степень ее нагрева). Однако как измерить массы планет? Обычно используют метод измерения лучевых скоростей родительской звезды, но Trappist-1 для этого слишком тусклая (ее видимая звездная величина достигает +18,8!). На помощь пришел метод тайминга транзитов.
Суть метода такова. Если планета — единственная в системе, интервал времени между соседними транзитами будет строго постоянным. Но если их больше, гравитационное поле других тел в системе будет возмущать движение транзитной планеты, и время наступления транзитов будет регулярно отклоняться от предвычисленного, в отдельных случаях на десятки минут и даже часы. Особенно сильным взаимное влияние планет будет в случае, если отношение их орбитальных периодов окажется близким к отношению целых чисел, например, 2:1 или 2:3 и т. п. В этом случае говорят, что планеты находятся в орбитальном резонансе.
Компактная система планет Trappist-1 оказалась связана цепочкой орбитальных резонансов. Отношения периодов Pc/Pb, Pd/Pc, Pe/Pd, Pf/Pe и Pg/Pf оказались близки к 8:5, 5:3, 3:2, 3:2 и 4:3, соответственно. Гравитационное влияние планет друг на друга вызвало заметные периодические отклонения времени транзитов от строгой периодичности. Измеряя эти отклонения, исследователи и оценили массы планет.
Открытие компактной плотно упакованной семипланетной системы вызвало шквал теоретических и наблюдательных работ, посвященных ее происхождению, эволюции и обитаемости. Для начала был оценен возраст системы. Удалось определить ее период вращения (~3,3 земных суток) и уточнить возраст (3-8 млрд лет), звезда проявляет умеренную активность в соответствии со своим зрелым возрастом, она довольно сильный переменный рентгеновский источник: рентгеновская светимость приблизительно равна рентгеновской светимости спокойного Солнца. Планеты расположены очень близко к этой звезде, так что они получают на несколько порядков больше коротковолнового излучения, чем получает Земля от Солнца.
В ранний период жизни маломассных звезд их светимость выше, а активность гораздо выше, чем в дальнейшем, когда им миллиарды лет. Соответственно, планеты, которые сейчас находятся в обитаемой зоне, прежде были сильно нагреты, а мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение молодой звезды эффективно "сдувало" атмосферы и воду с этих планет. Исследователи подсчитали, что из-за мощных вспышек внутренние планеты Trappist-1 b и Trappist-1 c могли потерять за счет фотоионизации воды до 15 земных океанов. Впрочем, это не означает, что они непременно полностью высохли — начальное содержание воды могло быть значительным.
Другим препятствием для обитаемости планет Trappist-1 служит вспышечная активность звезды. Кривая ее блеска, полученная "Кеплером", демонстрирует многочисленные мощные вспышки, чья энергия составляет 10 в 30-10 в 33 эрг. Во время самой сильной вспышки, зафиксированной "Кеплером", светимость звезды увеличилась на 1,78 звездных величин (более чем в пять раз!). Мощнейшие корональные выбросы, индуцированные вспышками, должны вызывать на планетах сильнейшие геомагнитные бури, в сотни и тысячи раз более мощные, чем магнитные бури на Земле. Это препятствует появлению на планетах системы Trappist-1 сколько-нибудь сложно организованной жизни.
Что можно сказать об атмосферах планет? Космический телескоп имени Хаббла наблюдал двойной транзит Trappist-1 b и Trappist-1 c. Трансмиссионная спектроскопия достоверно показала, что обе планеты лишены водородных атмосфер — что не исключают атмосфер из более тяжелых газов, например, из водяного пара, азота или углекислого газа.
Разнообразный мир
Внесолнечных планет открыто уже более 3,5 тыс., но ни про одну из них нельзя сказать: "Вот вторая Земля". Среди открытых планет — горячие Юпитеры и супер-Земли, планеты-гиганты на резко эксцентричных орбитах, теплые аналоги Нептуна, раскаленные аналоги Меркурия, чье дневное полушарие покрыто сплошным лавовым океаном, планеты, вращающиеся вокруг пары звезд как целого,— огромное разнообразие миров! Большинство планетных систем не похоже на Солнечную систему, и большинство экзопланет не имеет аналогов среди планет Солнечной системы. Мир планет куда богаче и разнообразнее, чем мир звезд.
Очень большой телескоп (VLT) — флагман европейской астрономии и самый технически совершенный оптический инструмент мира. Он состоит из четырех базовых телескопов с диаметром главного зеркала 8,2 м и четырех подвижных вспомогательных телескопов с апертурой 1,8 м. Телескопы могут работать вместе, образуя гигантский интерферометр VLTI (The Very Large Telescope Interferometer), который позволяет астрономам видеть детали изображений в 25 раз более мелкие, чем позволяют отдельные телескопы. В VLTI световые пучки комбинируются посредством сложной системы зеркал, расположенных в подземных туннелях, так что равенство оптических путей поддерживается с точностью менее 1/1000 мм на расстоянии более 100 м. При такой оптической точности VLTI способен строить изображения с угловым разрешением в несколько миллисекунд дуги. Это эквивалентно способности разглядеть с Земли в виде двух светящихся точек свет фар автомобиля, находящегося на Луне.
8,2-метровые базовые телескопы могут также использоваться индивидуально. С одним таким телескопом изображение небесного объекта 30-й звездной величины может быть получено за время экспозиции в 1 час. Таким образом, можно видеть объекты в 4 млрд (четыре тысячи миллионов) раз более слабые, чем те, которые видны невооруженным глазом