Красный карлик TRAPPIST-1 стал домом для самой большой группы планет размером с Землю, когда-либо обнаруженных в одной звездной системе. Эти 7 скалистых экзопланет, расположенных на расстоянии около 40 световых лет от нас, являются примером огромного разнообразия планетных систем, которые заполняют Вселенную.

Новое исследование показывает, что у планет TRAPPIST-1 очень похожие плотности. Это может означать, что все они содержат примерно одинаковое соотношение материалов, которые составляют большинство каменистых планет, таких как железо, кислород, магний и кремний. Но если это так, это соотношение должно заметно отличаться от земного: у планет TRAPPIST-1 примерно на 8% меньше плотности, чем если бы имели такой же состав, как наша планета. Основываясь на этом заключении, авторы статьи выдвинули гипотезу, что несколько различных смесей ингредиентов могут дать планетам TRAPPIST-1 измеренную плотность.

Некоторые из этих планет известны с 2016 года, когда ученые объявили про обнаружение 3 планет вокруг звезды TRAPPIST-1 с помощью телескопа Transiting Planets and Planetesimals (TRAPPIST) в Чили. Последующие наблюдения космического телескопа НАСА Спитцер в сотрудничестве с наземными телескопами подтвердили 2 из исходных планет и обнаружили еще 5. Управляемый Лабораторией реактивного движения НАСА, Спитцер наблюдал за системой более 1000 часов, прежде чем был выведен из эксплуатации в январе 2020 года. Космические телескопы НАСА Хаббл и Кеплер также изучали систему.

Все 7 планет TRAPPIST-1, которые находятся так близко к своей звезде, что вписываются в орбиту Меркурия, были обнаружены с помощью метода транзита: ученые не могут видеть планеты напрямую (они слишком небольшие и тусклые по сравнению со звездой), поэтому они ищут провалы в яркости звезды, возникающие при проходе планет перед ней.

Неоднократные наблюдения за падениями звездного света в сочетании с измерениями времени вращения планет по орбите позволили астрономам оценить массы и диаметры планет, которые использовались для расчета их плотности. Предыдущие расчеты определили, что планеты примерно равны размеру и массе Земли и также должны быть каменистыми или земными, в отличие от планет с преобладанием газа, таких как Юпитер и Сатурн. Новая статья предлагает самые точные измерения плотности для любой группы экзопланет.

Чем точнее ученые знают плотность планеты, тем больше ограничений они могут наложить на ее состав. Пресс-папье может быть примерно того же размера, что и бейсбольный мяч, но обычно намного тяжелее. Вместе ширина и вес показывают плотность каждого объекта, и отсюда можно сделать вывод, что бейсбольный мяч сделан из чего-то более легкого (веревка и кожа), а пресс-папье — из чего-то более тяжелого (стекла или металла).

Плотность 8 планет в Солнечной системе сильно различается. Пухлые гиганты с преобладанием газа — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — больше, но гораздо менее плотные, чем 4 земных мира, потому что состоят в основном из более легких элементов, таких как водород и гелий. Даже 4 земных мира демонстрируют некоторое разнообразие плотности, которая определяется как составом планеты, так и сжатием из-за гравитации самой планеты. Вычитая влияние гравитации, ученые могут вычислить так называемую несжатую плотность планеты и потенциально узнать больше о ее составе.

У 7 планет TRAPPIST-1 одинаковые плотности — значения различаются не более чем на 3%. Это отличает систему от нашей. Разница в плотности между планетами TRAPPIST-1 и Землей и Венерой может показаться небольшой, около 8%, но в планетарном масштабе она значительна. Например, один из способов объяснить, почему планеты TRAPPIST-1 менее плотные, состоит в том, что у них такой же состав, как у Земли, но с меньшим процентным содержанием железа — около 21% по сравнению с 32% на Земле, согласно исследованию.

В качестве альтернативы железо на планетах TRAPPIST-1 может быть насыщено кислородом, образуя оксид железа или ржавчину. Дополнительный кислород уменьшил бы плотность планет. Поверхность Марса приобретает красный оттенок из-за оксида железа, но, как и 3 другие планеты, имеет ядро, состоящее из неокисленного железа. Напротив, если бы более низкая плотность планет TRAPPIST-1 была вызвана полностью окисленным железом, планеты должны были бы быть полностью ржавыми и не иметь твердых железных ядер.

Эрик Агол, астрофизик из Вашингтонского университета и ведущий автор нового исследования, сказал, что ответом может быть комбинация двух сценариев — меньше железа в целом и немного окисленного железа.

Команда также изучила, может ли поверхность каждой планеты быть покрыта водой, которая даже легче, чем ржавчина, и которая может изменить общую плотность планеты. Если бы это было так, вода должна была бы составлять около 5% общей массы 4 внешних планет. Для сравнения, вода составляет менее 0,1% от общей массы Земли.

Поскольку они расположены слишком близко к звезде, чтобы вода могла оставаться жидкостью при большинстве обстоятельств, трем внутренним планетам TRAPPIST-1 потребуется горячая и плотная атмосфера, как у Венеры, чтобы вода могла оставаться на планете в виде пара. Но Агол говорит, что это объяснение кажется менее вероятным, потому что было бы совпадением, если бы на всех 7 планетах было достаточно воды для такой ??одинаковой плотности.