Ewolucja układu planetarnego TRAPPIST-1
W ciągu ostatnich 30 lat, korzystając z teleskopów kosmicznych, odkryto ponad 5000 egzoplanet w tysiącach układów planetarnych.
 |
| Układ TRAPPIST-1. Źródło: Caltech |
Planety to ciała, które krążą wokół gwiazdy i mają wystarczającą masę grawitacyjną, aby uformować się w mniej więcej kuliste kształty, które z kolei wywierają siłę grawitacyjną na mniejsze obiekty, takie jak planetoidy i księżyce. Przez większość historii ludzkości jedynymi planetami, o których istnieniu wiedzieli nasi przodkowie, były te, które mogli zobaczyć na nocnym niebie. Jednak w ciągu ostatnich 30 lat opracowano teleskopy wystarczająco czułe, aby wnioskować o obecności egzoplanet – planet poza naszym własnym Układzie Słonecznym.
Egzoplanety są oczywiście znacznie trudniejsze do bezpośredniej obserwacji niż gwiazdy i galaktyki. Prawie wszystkie odkrycia egzoplanet, szczególnie od około 2010 roku, opierały się na pomiarach fotometrycznych (ilości odbieranego światła) gwiazd macierzystych egzoplanet, a nie samych planet. Nazywa się to metodą tranzytu. Obecnie, z pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera, który dokonał pierwszej detekcji egzoplanety w 2005 roku; Kosmicznego Teleskopu Keplera, zaprojektowanego specjalnie do poszukiwania egzoplanet; oraz Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, uruchomionego w 2021 roku, metoda tranzytu i inne techniki potwierdziły istnienie ponad 5000 egzoplanet zamieszkujących tysiące układów gwiazdowych.
Kiedy mieliśmy do przeanalizowania tylko nasz własny Układ Słoneczny, można było po prostu założyć, że planety uformowały się w miejscach, w których znajdujemy je dzisiaj – powiedziała Gabriele Pichierri, doktor nauk planetarnych w Caltech, pracująca w grupie profesora nauk planetarnych Konstantina Batygina. Jednak kiedy w 1995 roku odkryliśmy pierwszą egzoplanetę, musieliśmy ponownie rozważyć to założenie. Opracowujemy lepsze modele tego, jak powstają planety i w jaki sposób znajdują się one w orientacjach, w których je znajdujemy.
Większość egzoplanet formuje się z dysku gazu i pyłu wokół nowo powstałych gwiazd, a następnie migruje do wewnątrz, zbliżając się do wewnętrznej granicy tego dysku. W ten sposób powstają układy planetarne, które znajdują się znacznie bliżej gwiazdy macierzystej niż ma to miejsce w przypadku naszego Układu Słonecznego.
W przypadku braku innych czynników, planety będą miały tendencję do oddalania się od siebie na charakterystyczne odległości w oparciu o ich masy i siły grawitacyjne między planetami a ich gwiazdą macierzystą. Jest to standardowy proces migracji – powiedziała Pichierri. Pozycje planet tworzą rezonanse między ich okresami orbitalnymi. Jeżeli weźmiemy okres orbitalny jednej planety, a następnie podzielimy go przez okres orbitalny sąsiedniej planety, otrzymamy stosunek prostych liczb całkowitych, taki jak 3:2. Tak więc, na przykład, jeżeli jednak planeta potrzebuje dwóch dni, aby okrążyć swoją gwiazdę, następna planeta, bardziej oddalona, będzie potrzebowała trzech dni. Jeżeli ta druga planeta i trzecia, położona dalej, również znajdują się w rezonansie 3:2, to okres orbitalny trzeciej planety wyniesie 4,5 dnia.
Układ TRAPPIST-1, który zawiera siedem planet i znajduje się około 40 lat świetlnych od Ziemi, jest wyjątkowy z wielu powodów. Zewnętrzne planety zachowują się poprawnie, jeżeli można tak powiedzieć, z prostszymi oczekiwanymi rezonansami – powiedziała Pichierri. Ale te wewnętrzne mają rezonanse, które są nieco bardziej pikantne. Na przykład stosunek orbit planet b i c wynosi 8:5, a c i d 5:3. Ta niewielka rozbieżność w wyniku układu TRAPPIST-1 jest zastanawiająca i stanowi wspaniałą okazję do szczegółowego ustalenia, jakie inne procesy zachodziły podczas jego gromadzenia się – powiedziała.
Ponadto uważa się, że większość układów planetarnych rozpoczęła się w tych samych rezonansach, ale napotkała znaczne niestabilności w swoim życiu, zanim je zaobserwowaliśmy – wyjaśniła Pichierri. Większość planet staje się niestabilna lub zderza się ze sobą, a wszystko ulega przetasowaniu. Na przykład nasz własny Układ Słoneczny został dotknięty taką niestabilnością. Znamy jednak kilka układów, które pozostały stabilne i są mniej lub bardziej dziewiczymi okazami. W efekcie wykazują one zapis całej swojej dynamicznej historii, którą możemy następnie próbować zrekonstruować. TRAPPIST-1 jest jednym z nich.
Wyzwaniem było zatem opracowanie modelu, który mógłby wyjaśnić orbity planet TRAPPIST-1 i sposób, w jaki osiągnęły one swoją obecną konfigurację.
Powstały model sugeruje, że cztery wewnętrzne planety początkowo ewoluowały same w oczekiwanym łańcuchu rezonansowym 3:2. Dopiero gdy wewnętrzna granica dysku rozszerzyła się na zewnątrz, ich orbity rozluźniły się poza ciaśniejszym łańcuchem 3:2 w konfigurację, którą obserwujemy dzisiaj. Czwarta planeta, która pierwotnie znajdowała się na wewnętrznej granicy dysku, przesuwając się dalej wraz z nim, została później odepchnięta do wewnątrz, gdy trzy dodatkowe zewnętrzne planety dołączyły do układu planetarnego na późniejszym etapie.
Przyglądając się TRAPPIST-1, byliśmy w stanie przetestować nowe, ekscytujące hipotezy dotyczące ewolucji układów planetarnych – powiedziała Pichierri. TRAPPIST-1 jest bardzo interesujący, ponieważ jest tak skomplikowany; to długi łańcuch planetarny. I jest świetnym przykładem testowania alternatywnych teorii na temat powstawania układów planetarnych.
Wyniki badań zostały opublikowane 20 sierpnia 2024 roku w czasopiśmie Nature Astronomy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
