Эволюция планетарной системы Траппист-1

Планеты — это тела, вращающиеся вокруг звезды и обладающие достаточной гравитационной массой, чтобы сформироваться в приблизительно сферические формы, которые, в свою очередь, оказывают гравитационное воздействие на более мелкие объекты вокруг них, такие как астероиды и луны.

На протяжении большей части истории человечества наши предки знали только о планетах, 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.

Конечно, экзопланеты гораздо сложнее наблюдать напрямую, чем звезды и галактики. Почти все открытия экзопланет, особенно начиная с 2010 года, были основаны на фотометрических измерениях (количество принятого света) звезд-хозяев экзопланет, а не самих планет. Это называется транзитным методом.

Теперь с помощью космического телескопа Спитцер, который впервые обнаружил экзопланету в 2005 году, космического телескопа Кеплер/KW, специально созданного для поиска экзопланет, и космического телескопа Джеймс Уэбб, запущенного в 2021 году, транзитный метод и другие методики подтвердили существование более 5000 экзопланет, населяющих тысячи звездных систем.

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

«Однако, когда в 1995 году мы обнаружили даже первую экзопланету, 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 новообразованных звезд и затем, как ожидается, мигрируют внутрь, приближаясь к внутренней границе этого диска. В результате образуются планетные системы, расположенные гораздо ближе к звезде-хозяину, чем в нашей Солнечной системе.

В отсутствие других факторов планеты будут стремиться удалиться друг от друга на характерные расстояния, определяемые их массой и гравитационными силами между планетами и их звездой-хозяином. «Это стандартный процесс миграции», — объясняет Пичиерри.

«Положения планет образуют резонанс между их орбитальными периодами. Если взять орбитальный период одной планеты, а затем разделить его на орбитальный период соседней планеты, то получится соотношение простых целых чисел, например 3:2».

Так, например, если одной планете требуется два дня для обращения вокруг своей звезды, то следующей планете, находящейся дальше, потребуется три дня. Если вторая планета и третья, расположенная еще дальше, также находятся в резонансе 3:2, то орбитальный период третьей планеты составит 4,5 дня.

Система Траппист-1, в которой находятся семь планет и которая расположена 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 Пичиерри. «Но у внутренних резонансы немного острее».

Например, соотношение между орбитами планет b и c составляет 8:5, а между c и d — 5:3. «Такое небольшое расхождение в результатах сборки Trappist-1 озадачивает и дает прекрасную возможность детально выяснить, какие еще процессы происходили при ее сборке», — говорит он.

«Кроме того, считается, что большинство планетарных систем начинались в таких резонансных состояниях, но в течение своей жизни сталкивались со значительными нестабильностями, прежде чем мы наблюдали их сегодня», — объясняет Пичиерри. Большинство планет становятся нестабильными или сталкиваются друг с другом, и все перемешивается».

«Наша собственная Солнечная система, например, пострадала от такой нестабильности. Но нам известно несколько систем, сохранивших стабильность, которые представляют собой более или менее нетронутые образцы. Они, по сути, демонстрируют запись всей своей динамической истории, которую мы можем попытаться реконструировать. Траппист-1 — одна из таких планет».

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

Полученная модель предполагает, что внутренние четыре планеты изначально развивались в одиночку в ожидаемой резонансной цепочке 3:2. Только по мере расширения внутренней границы диска наружу их орбиты расслабились и вышли из более тесной цепочки 3:2 в конфигурацию, которую мы наблюдаем сегодня.

Четвертая планета, которая первоначально находилась на внутренней границе диска и двигалась дальше вместе с ним, позже была оттеснена внутрь, когда еще три внешние планеты присоединились к планетарной системе на более позднем этапе.

Работа, содержащая это исследование, под названием «Формирование системы Trappist-1 в два этапа во время рецессии внутреннего края диска», опубликована в журнале Nature Astronomy.

«Рассматривая Trappist-1, мы смогли проверить новые захватывающие гипотезы об эволюции планетарных систем», — говорит Пичиерри. «Траппист-1 очень интересен, потому что он такой запутанный; это длинная планетарная цепочка. И это отличный пример для проверки альтернативных теорий формирования планетарных систем».