Wetenschap
Uit onderzoek blijkt dat de buitenplaneten van TRAPPIST-1 waarschijnlijk water bevatten
Het TRAPPIST-1-zonnestelsel zorgde voor veel belangstelling toen het enkele jaren geleden werd waargenomen. In 2016 ontdekten astronomen met behulp van de Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) van het La Silla Observatorium in Chili twee rotsachtige planeten die rond de rode dwergster draaiden en die de naam TRAPPIST-1 aannamen. Vervolgens vond een diepere analyse in 2017 nog eens vijf rotsachtige planeten.
Het was een opmerkelijke ontdekking, vooral omdat maar liefst vier van hen zich op de juiste afstand van de ster konden bevinden om vloeibaar water te hebben.
Het TRAPPIST-1-systeem krijgt nog steeds veel wetenschappelijke aandacht. Potentiële aardachtige planeten in de bewoonbare zone van een ster zijn als magneten voor planetaire wetenschappers.
Het vinden van zeven ervan in één systeem is een unieke wetenschappelijke kans om allerlei onderling verbonden vragen over de bewoonbaarheid van exoplaneten te onderzoeken. TRAPPIST-1 is een rode dwerg, en een van de meest prominente vragen over de bewoonbaarheid van exoplaneten betreft rode dwergen (M-dwergen). Verdrijven deze sterren en hun krachtige uitbarstingen de atmosfeer van hun planeten?
Nieuw onderzoek geaccepteerd voor publicatie in het Planetary Science Journal en beschikbaar op de preprint-server arXiv , onderzoekt atmosferische ontsnapping op de TRAPPIST-1-planeten. De titel is "De implicaties van thermische hydrodynamische atmosferische ontsnapping op de TRAPPIST-1-planeten." Megan Gialluca, een afgestudeerde student aan de afdeling Astronomie en Astrobiologie van de Universiteit van Washington, is de hoofdauteur.
De meeste sterren in de Melkweg zijn M-dwergen. Zoals de TRAPPIST-1 duidelijk maakt, kunnen er veel aardse planeten in voorkomen. Grote planeten ter grootte van Jupiter zijn relatief zeldzaam rond dit soort sterren.
Het is duidelijk mogelijk dat de meeste aardse planeten zich in een baan rond M-dwergen bevinden.
Maar M-dwergfakkelen is een bekend probleem. Hoewel M-dwergen veel minder zwaar zijn dan onze zon, zijn hun uitbarstingen veel energieker dan alles wat van de zon komt. Sommige M-dwergvlammen kunnen de helderheid van de ster in slechts enkele minuten verdubbelen.
Een ander probleem is de getijdenvergrendeling. Omdat M-dwergen minder energie uitstoten, zijn hun bewoonbare zones veel dichterbij dan de zones rond een hoofdreeksster zoals onze zon. Dat betekent dat potentieel bewoonbare planeten veel waarschijnlijker vastzitten aan hun sterren.
Dat creëert een hele reeks obstakels voor bewoonbaarheid. De ene kant van de planeet zou de dupe worden van het affakkelen en opgewarmd worden, terwijl de andere kant voortdurend donker en koud zou zijn. Als er een atmosfeer is, kunnen er extreem krachtige windstoten zijn.
“Aangezien M-dwergen de meest voorkomende sterren zijn in onze plaatselijke sterrenomgeving, is de vraag of hun planetaire systemen leven kunnen herbergen een sleutelvraag in de astrobiologie die op korte termijn vatbaar zou kunnen zijn voor observationele tests”, schrijven de auteurs. "Terrestrische planetaire doelen die van belang zijn voor atmosferische karakterisering met M-dwerggastheren kunnen mogelijk toegankelijk zijn met de JWST", leggen ze uit.
Ze wijzen er ook op dat toekomstige grote telescopen op de grond, zoals de European Extremely Large Telescope en de Giant Magellan Telescope, ook zouden kunnen helpen, maar dat het nog jaren duurt voordat ze operationeel zijn.
Rode dwergen en hun planeten zijn gemakkelijker waar te nemen dan andere sterren en hun planeten. Rode dwergen zijn klein en zwak, wat betekent dat hun licht planeten niet zo vaak overstemt als andere hoofdreekssterren. Maar ondanks hun lagere helderheid en kleine formaat vormen ze een uitdaging voor de bewoonbaarheid.
M-dwergen hebben een langere pre-hoofdreeksfase dan andere sterren en zijn in deze periode op hun helderst. Als ze zich eenmaal op de hoofdreeks bevinden, hebben ze een verhoogde stellaire activiteit vergeleken met sterren als onze zon. Deze factoren kunnen beide atmosferen wegdrijven van nabijgelegen planeten. Zelfs zonder opflakkering ontvangt de planeet die het dichtst bij TRAPPIST-1 staat (hierna T-1) vier keer meer straling dan de aarde.
‘Naast de evolutie van de helderheid vergroot een verhoogde stellaire activiteit ook de stellaire XUV van M-dwergsterren, wat het atmosferische verlies vergroot’, schrijven de auteurs. Dit kan het ook moeilijk maken om de spectra van planetaire atmosferen te begrijpen door valse positieven van biosignaturen te creëren. Van exoplaneten rond M-dwergen wordt verwacht dat ze een dikke atmosfeer hebben die wordt gedomineerd door abiotische zuurstof.
Ondanks de uitdagingen biedt het T-1-systeem een geweldige kans om M-dwergen, atmosferische ontsnappingen en de bewoonbaarheid van rotsachtige planeten te bestuderen. "TRAPPIST-1 is een doelwit met hoge prioriteit voor JWST General and Guaranteed Time Observations", schrijven de auteurs. De JWST heeft delen van het T-1-systeem geobserveerd en die gegevens maken deel uit van dit werk.
In dit werk simuleerden de onderzoekers vroege atmosferen voor elk van de TRAPPIST-1 (hierna T-1) planeten, inclusief verschillende initiële waterhoeveelheden uitgedrukt in terrestrische oceanen (TO). Ze modelleerden ook verschillende hoeveelheden stellaire straling in de loop van de tijd. Hun simulaties gebruikten de meest recente gegevens voor de T-1-planeten en gebruikten een verscheidenheid aan verschillende planetaire evolutiesporen.
De resultaten zijn niet goed, vooral niet voor de planeten die het dichtst bij de rode dwerg staan.
‘We constateren dat de binnenplaneten T1-b, c en d waarschijnlijk zijn uitgedroogd, behalve voor de grootste initiële waterinhoud (respectievelijk>60, 50 en 30 TO) en het grootste risico lopen op volledig atmosferisch verlies als gevolg van hun nabijheid van de gastster”, leggen de onderzoekers uit. Afhankelijk van hun initiële TO kunnen ze echter aanzienlijke zuurstof vasthouden. Die zuurstof zou een vals-positief resultaat kunnen zijn voor biosignaturen.
De buitenplaneten doen het iets beter. Ze konden een deel van hun water vasthouden, tenzij hun aanvankelijke water laag was, ongeveer 1 TO. "We zien dat T1-e, f, g en h maximaal respectievelijk ongeveer 8,0, 4,8, 3,4 en 0,8 TO verliezen", schrijven ze. Deze buitenplaneten hebben waarschijnlijk ook meer zuurstof dan de binnenplaneten. Omdat T1-e, f en g zich in de bewoonbare zone van de ster bevinden, is dit een intrigerend resultaat.
T-1c is van bijzonder belang omdat het in hun simulaties de meeste zuurstof uit de atmosfeer vasthoudt, ongeacht of de initiële TO hoog of laag was.
De potentiële bewoonbaarheid van T-1-planeten is een belangrijke vraag in de exoplaneetwetenschap. Het type ster, het aantal rotsachtige planeten en het gemak van observatie plaatsen hem allemaal bovenaan de lijst van observatiedoelen. We zullen de bewoonbaarheid van exoplaneten nooit echt begrijpen als we dit systeem niet kunnen begrijpen. De enige manier om het beter te begrijpen is door het grondiger te observeren.
"Deze conclusies motiveren vervolgwaarnemingen om te zoeken naar de aanwezigheid van waterdamp of zuurstof op T1-c en toekomstige waarnemingen van de buitenplaneten in het TRAPPIST-1-systeem, die mogelijk een aanzienlijke hoeveelheid water bevatten", schrijven de auteurs in hun conclusie.