Учёные, возможно, наконец-то раскрыли историю системы TRAPPIST-1, сложного набора из семи планет, которые находятся примерно в 40 световых годах от нас. Эти планеты, как говорят многие астрономы и астробиологи, могут предложить многообещающий шанс найти жизнь за пределами Солнечной системы, но они также демонстрируют необычные орбитальные узоры.
Недавно изложенная история TRAPPIST-1 может, наконец, объяснить, как возникли эти закономерности.
Когда планеты формируются вокруг молодой звезды, их орбитальные периоды часто входят в «резонанс» друг с другом. Например, внутренняя планета может совершить ровно два оборота за один оборот внешней планеты. Это резонанс 2:1, обмен гравитационной энергией между резонансными планетами обычно делает их орбиты нестабильными, усиливая орбитальные периоды до тех пор, пока планеты в конечном итоге не выйдут из резонанса друг с другом. Другой распространенный планетарный резонанс — 3:2.
Планетарные резонансы часто становятся нестабильными с течением времени, как в нашей солнечной системе, но не всегда. Некоторые планетные системы сохраняют свои резонансные модели, и TRAPPIST-1 — одна из таких систем. Системы со стабильными резонансами, вероятно, созданы в силу своей компактности: семь планет TRAPPIST-1 разбросаны на расстоянии менее 8 миллионов километров, и все они легко поместились бы внутри орбиты Меркурия несколько раз.
Три внешние планеты TRAPPIST-1, обозначенные Trappist-1f, Trappist-1g и Trappist-1h (Trappist-1a — это звезда), находятся в цепочке резонансов 3:2. «Внешние планеты ведут себя правильно, так сказать, с более простыми ожидаемыми резонансами. Но внутренние планеты имеют резонансы, которые немного более острые», — сказал Габриэле Пичьерри, планетолог из Калтеха. Например, орбитальные периоды двух самых внутренних планет, Trappist-1b и Trappist-1c, находятся в резонансе 8:5, что означает, что планета b совершает восемь оборотов за каждые пять оборотов планеты c. Между тем, планеты c и d находятся в резонансе 5:3.
Пичьерри является ведущим автором новой работы, которая углубляется в раннюю историю TRAPPIST-1, чтобы узнать, как планеты этой системы оказались в этой конфигурации. Учёные восстановили историю о смещающемся протопланетном диске из газа и пыли в сочетании с мощными крутящими моментами, которые толкали планеты.
Сначала сформировались самые внутренние планеты, поэтому Пичьерри и его команда разделили систему TRAPPIST-1 на две подгруппы — внутренние планеты b, c, d и e и внешние планеты f, g и h (в отличие от нашей Солнечной системы, в которой внешние планеты являются газовыми гигантами, внешние планеты TRAPPIST-1 представляют собой каменистые планеты). Моделирование выявило три фазы в эволюции системы.
На первом этапе все четыре внутренние планеты начинают существовать в резонансах 3:2 друг с другом, поэтому b и c находятся в орбитальном резонансе 3:2, как и c и d, а также d и e. Поскольку внутренние планеты образовались из материала протопланетного диска, а их развивающаяся красная карликовая звезда зажгла ядерный синтез в своём ядре и произвела излучение, которое начало рассеивать диск, внутренний край диска должен был расшириться.
Во второй фазе планета e, закреплённая на отступающем внутреннем крае диска, оказалась вытянутой наружу, от планет Trappist-1b, Trappist-1c и Trappist-1d и к планетам, формирующимся во внешней части системы. Это имело эффект, вызывающий колебание орбит планет b, c и d, и они пересекли резонансы 8:5 и 5:3, поскольку их орбитальные периоды расширились, но затем были отброшены назад гравитационным моментом из внешней системы, пока они не установились в резонансах 8:5 и 5:3, которые они имеют сегодня.
К финальной фазе сформировались три внешних планеты. Часто, когда планеты формируются в протопланетном диске, они теряют орбитальный угловой момент, обмениваясь этим угловым моментом с диском, из которого они аккрецируют материал для роста. Это приводит к их миграции ко внутреннему краю диска. В системе TRAPPIST-1 это, вероятно, имело эффект отталкивания планеты Trappist-1e назад, пока внутренняя и внешняя части планетной системы не установились в конфигурации, в которой они находятся сегодня.
«Изучая TRAPPIST-1, мы смогли проверить захватывающие новые гипотезы об эволюции планетарных систем. TRAPPIST-1 очень интересна, потому что она очень сложная: это длинная планетарная цепь, и это прекрасный образец для проверки альтернативных теорий о формировании планетарных систем», — сказал Пичьерри. Исследование было опубликовано 20 августа в журнале Nature Astronomy.