Jak ewoluował układ planetarny Trappist-1

Wszechświat jest wypełniony układami planetarnymi, takimi jak Trappist-1. Badanie tych struktur i poznawanie ich ewolucji może pomóc astronomom lepiej poznać historię naszego Układu Słonecznego.

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 wokół nich, takie jak asteroidy 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 Układem Słonecznym.

Egzoplanety są znacznie trudniejsze do bezpośredniej obserwacji niż gwiazdy i galaktyki. Prawie wszystkie odkrycia tego typu obiektów, zwłaszcza od około 2010 roku, opierają się na pomiarach fotometrycznych (ilości odbieranego światła) gwiazd-gospodarzy egzoplanet, a nie samych globów. Badacze nazywają to metodą tranzytów.

Obecnie, z pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera, który dokonał pierwszego wykrycia egzoplanet w 2005 roku; Kosmicznego Teleskopu Keplera, zaprojektowanego specjalnie do poszukiwania egzoplanet; oraz Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, wystrzelonego w 2021 roku, metoda tranzytu i inne techniki potwierdziły istnienie ponad 5 tysięcy egzoplanet zamieszkujących inne układy gwiezdne.

„Kiedy mieliśmy do analizy tylko nasz własny Układ Słoneczny, mogliśmy po prostu założyć, że planety uformowały się w miejscach, w których znajdujemy je dzisiaj. Jednak, kiedy w 1995 roku odkryliśmy pierwszą egzoplanetę, musieliśmy ponownie rozważyć to założenie. Opracowujemy lepsze modele formowania się planet i ich rozmieszczenia w orientacjach, w których je znajdujemy” – mówi Gabriele Pichierri z California Institute of Technology.

Jak tłumaczą astronomowie, większość egzoplanet powstaje z dysku gazu i pyłu wokół nowo powstałych gwiazd, a następnie migruje do wewnątrz, zbliżając się do granicy całej struktury. Powoduje to, że układy planetarne znajdują się znacznie bliżej gwiazdy-gospodarza niż ma to miejsce w Układzie Słonecznym.

„W przypadku braku innych czynników, planety będą miały tendencję do oddalania się od siebie w charakterystycznych odległościach opartych na ich masach i siłach grawitacyjnych między planetami a ich gwiazdą macierzystą. To standardowy proces migracji. Pozycje planet tworzą rezonanse między ich okresami orbitalnymi. Jeśli weźmie się okres orbitalny jednej planety, a następnie podzieli go przez okres orbitalny sąsiedniej planety, otrzyma się stosunek prostych liczb całkowitych, takich jak 3:2”” – wyjaśnia Pichierri.

Na przykład, jeśli jedna planeta potrzebuje dwóch dni, aby okrążyć swoją gwiazdę, następna planeta, bardziej odległa, potrzebuje trzech dni. Jeśli ta druga planeta i trzecia, bardziej odległa, również znajdują się w rezonansie 3:2, okres orbitalny trzeciej planety wyniesie 4,5 dnia.

Jak tłumaczą astronomowie z California Institute of Technology, system 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, że tak powiem, z prostszymi oczekiwanymi rezonansami. Ale te wewnętrzne mają rezonanse, które są nieco ostrzejsze” – tłumaczy Pichierri.

„Na przykład stosunek orbit planet b i c wynosi 8:5, podczas gdy orbit c i d 5:3. Ta niewielka rozbieżność wynikająca z budowy Trappist-1 jest zastanawiająca i stanowi doskonałą okazję, aby dowiedzieć się szczegółowo, jakie inne procesy miały miejsce podczas jego powstawania. Zakładamy, że większość układów planetarnych rozpoczęła się w tych stanach rezonansowych, ale napotkała znaczne niestabilności w swoim życiu, zanim zaobserwowaliśmy je dzisiaj. Większość planet staje się niestabilna lub zderza się ze sobą i wszystko się tasuje” – zaznacza Pichierri.

„Na przykład nasz własny Układ Słoneczny został dotknięty takimi niestabilnościami. Znamy jednak kilka układów, które pozostały stabilne i są mniej lub bardziej dziewiczymi okazami. W rezultacie pokazują one zapis całej swojej dynamicznej historii, którą możemy następnie spróbować zrekonstruować. Trappist-1 jest jednym z nich” – dodaje.

Wyzwaniem dla astronomów było opracowanie modelu, który mógłby wyjaśnić orbity planet Trappist-1 i sposób, w jaki osiągnęły one swoją obecną konfigurację. Powstały układ sugeruje, że wewnętrzne cztery planety początkowo ewoluowały niezależnie w oczekiwanym łańcuchu rezonansowym 3:2. Dopiero gdy wewnętrzna granica dysku rozszerzyła się na zewnątrz, ich orbity rozluźniły się z ciaśniejszego łańcucha 3:2 do konfiguracji, którą jest obserwowana dzisiaj.

Czwarta planeta, która pierwotnie znajdowała się na wewnętrznej granicy dysku, przesuwając się wraz z nim dalej na zewnątrz, została później wepchnięta z powrotem, gdy trzy dodatkowe globy zewnętrzne dołączyły do układu planetarnego na późniejszym etapie. Badanie „Forming the Trappist-1 system in two steps during the recession of the disk inner edge”, zostało opublikowane w Nature Astronomy.

„Przyglądając się Trappist-1, byliśmy w stanie przetestować nowe, ekscytujące hipotezy dotyczące ewolucji układów planetarnych. Trappist-1 jest bardzo interesujący, ponieważ jest tak złożony; to długi łańcuch planetarny. To świetny przykład do testowania alternatywnych teorii na temat powstawania układów planetarnych” – podsumowuje Pichierri.

Emil Gołoś