Эволюция планетной системы Траппист-1

Все семь планет, обнаруженных на орбите красного карлика TRAPPIST-1, могли бы легко поместиться внутри орбиты Меркурия, самой внутренней планеты нашей солнечной системы. Фактически, у них было бы место в запасе. TRAPPIST-1 также составляет лишь часть размера нашего Солнца; она не намного больше Юпитера. Таким образом, пропорции системы TRAPPIST-1 больше похожи на пропорции Юпитера и его лун, чем на пропорции нашей солнечной системы. Автор: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt, T. Pyle (IPAC)

На протяжении большей части человеческой истории единственные планеты, о которых знали наши предки, были те, которые они могли видеть в ночном небе. Но за последние 30 лет были разработаны телескопы, достаточно чувствительные, чтобы сделать вывод о наличии экзопланет — планет за пределами нашей солнечной системы.

Экзопланеты, конечно, гораздо сложнее наблюдать напрямую, чем звезды и галактики. Почти все открытия экзопланет, особенно начиная с 2010 года, основывались на фотометрических измерениях (количества полученного света) родительских звезд экзопланет, а не самих планет. Это называется транзитным методом.

Теперь с помощью космического телескопа Spitzer, который в 2005 году впервые обнаружил экзопланету, космического телескопа Kepler/KW, специально разработанного для поиска экзопланет, и космического телескопа James Webb, запущенного в 2021 году, транзитный метод и другие методы подтвердили существование более 5000 экзопланет, населяющих тысячи звездных систем.

«Когда для анализа у нас была только наша собственная Солнечная система, можно было просто предположить, что планеты сформировались в тех местах, где мы находим их сегодня», — говорит Габриэле Пикьерри, научный сотрудник по планетологии в Калифорнийском технологическом институте, работающий в группе профессора планетологии Константина Батыгина.

«Однако, когда мы открыли первую экзопланету в 1995 году, нам пришлось пересмотреть это предположение. Мы разрабатываем более совершенные модели того, как формируются планеты и как они оказываются в тех ориентациях, в которых мы их находим».

Большинство экзопланет формируются из диска газа и пыли вокруг недавно сформированных звезд, а затем, как ожидается, мигрируют внутрь, приближаясь к внутренней границе этого диска. Это собирает планетные системы, которые находятся гораздо ближе к звезде-хозяину, чем в нашей собственной солнечной системе.

При отсутствии других факторов планеты будут стремиться отдалиться друг от друга на характерные расстояния, основанные на их массах и гравитационных силах между планетами и их звездой-хозяином. «Это стандартный процесс миграции», — объясняет Пичьерри.

Так, например, если одной планете требуется два дня, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды, следующей планете, которая находится дальше, потребуется три дня. Если эта вторая планета и третья, которая находится дальше, также находятся в резонансе 3:2, то орбитальный период третьей планеты составит 4,5 дня.

Система Trappist-1, в которой находится семь планет и которая находится примерно в 40 световых годах от Земли, является особенной по нескольким причинам. «Внешние планеты ведут себя правильно, так сказать, с более простыми ожидаемыми резонансами», — говорит Пичьерри. «Но внутренние имеют резонансы, которые немного более острые».

Например, соотношение между орбитами планет b и c составляет 8:5, а между c и d — 5:3. «Это небольшое расхождение в результате сборки Trappist-1 озадачивает и представляет собой замечательную возможность подробно выяснить, какие еще процессы участвовали в его сборке», — говорит он.

«Кроме того, считается, что большинство планетных систем начинали в этих резонансных состояниях, но столкнулись со значительной нестабильностью в течение своей жизни, прежде чем мы наблюдаем их сегодня», — объясняет Пичьерри. «Большинство планет становятся нестабильными или сталкиваются друг с другом, и все перемешивается.

«Наша собственная Солнечная система, например, пострадала от такой нестабильности. Но мы знаем несколько систем, которые остались стабильными, которые являются более или менее безупречными образцами. Они, по сути, демонстрируют запись всей своей динамической истории, которую мы затем можем попытаться реконструировать. Trappist-1 — одна из них».

Затем задача состояла в том, чтобы разработать модель, которая могла бы объяснить орбиты планет системы Trappist-1 и то, как они достигли своей нынешней конфигурации.

Полученная модель предполагает, что внутренние четыре планеты изначально развивались в одиночку в ожидаемой резонансной цепи 3:2. Только когда внутренняя граница диска расширилась наружу, их орбиты вышли из более тесной цепи 3:2 в конфигурацию, которую мы наблюдаем сегодня.

Четвертая планета, которая изначально располагалась на внутренней границе диска, перемещаясь вместе с ним, позднее была оттеснена обратно внутрь, когда на более позднем этапе к планетной системе присоединились еще три внешние планеты.

Статья, содержащая результаты этого исследования, под названием «Формирование системы Trappist-1 в два этапа во время рецессии внутреннего края диска», опубликована в журнале Nature Astronomy.

«Изучая Trappist-1, мы смогли проверить захватывающие новые гипотезы об эволюции планетарных систем», — говорит Пичьерри. «Trappist-1 очень интересен, потому что он очень сложный; это длинная планетарная цепь. И это прекрасный образец для проверки альтернативных теорий о формировании планетарных систем».

Больше информации: Gabriele Pichierri et al, The formation of the TRAPPIST-1 system in two steps during the recession of the disk inner edge, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02342-4. On arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2406.08677

Источник: California Institute of Technology