En serie av fyra studier har kastat nytt ljus över egenskaperna hos planetsystemet TRAPPIST-1, för närvarande vårt mest optimala hopp om bevis på biologiskt liv bortom solsystemet.

Sedan omfattningen av planetsystemet TRAPPIST-1 avslöjades i februari 2017, den har fångat fantasin hos människor världen över.

De nya studierna, inklusive tidningar publicerade idag i Natur astronomi och Astronomi och astrofysik , är resultatet av forskare som arbetar för att bättre karakterisera planeterna och samla in mer information om dem.

Det internationella laget förfinade först stjärnans egenskaper i centrum av systemet, och för det andra förbättrade mätningarna av planeternas radier. En tredje studie ger bättre uppskattningar än någonsin för planeternas massor medan i den fjärde studien gjorde teamet spaningsobservationer av planeternas atmosfärer.

De fyra internationella studierna har tagits fram i samarbete med University of Birminghams astronom Dr Amaury Triaud. Han förklarar, "Efter att ha upptäckt detta otroliga planetsystem var vårt team extremt ivrigt att veta mer om TRAPPIST-1. Ett år senare, vi rapporterar våra resultat. Tack vare våra ansträngningar håller TRAPPIST-1-planeterna på att bli de bäst studerade världarna utanför solsystemet."

Teamet fann att alla sju planeterna mestadels är gjorda av sten, med upp till 5 procent av sin massa i vatten - en betydande mängd. Som jämförelse, vår jords hav står för endast 0,02 procent av vår planets massa.

Dessutom, fem av planeterna verkar sakna en atmosfär gjord av väte och helium, som för Neptunus eller Uranus. Denna nya information förstärker uppfattningen att de sju planeterna i TRAPPIST-1 på många sätt liknar solsystemets steniga världar.

Formen som vatten tar på TRAPPIST-1-planeter skulle bero på mängden värme de får från sin stjärna, vilket är bara 9 procent så tungt som vår sol.

De sju planeterna anses vara tempererade, vilket innebär att under vissa geologiska och atmosfäriska förhållanden, alla kunde ha förhållanden som tillåter vatten att förbli flytande. Arbete, inklusive lagets resultatserie, håller nu på att peka ut vilka av dessa tempererade planeter som med största sannolikhet är beboeliga.

Av de sju, TRAPPIST-1e, den fjärde från stjärnan, är för närvarande mest besläktad med jorden även om mycket återstår att veta, särskilt förhållandena vid ytan, och om det håller en atmosfär.

Dr Triaud fortsätter, "När vi kombinerar våra nya massor med våra förbättrade radiemätningar, och vår förbättrade kunskap om stjärnan, vi får exakta tätheter för var och en av de sju världarna, och få information om deras interna sammansättning. Alla sju planeterna påminner anmärkningsvärt om Merkurius, Venus, vår jord, dess måne, och Mars."

Professor Brice-Olivier Demory, medförfattare vid universitetet i Bern, Lagt till, "Tätheter, medan viktiga ledtrådar till planeternas kompositioner, säg inget om beboelighet. Dock, vår studie är ett viktigt steg framåt när vi fortsätter att utforska om dessa planeter skulle kunna försörja liv."

Som en del av denna serie av arbete, laget använde rymdteleskopet Hubble medan planeterna passerade framför sin stjärna, försöker fånga små signaler medan stjärnljus interagerar med planeternas atmosfärer.

Deras noggranna mätningar fann inga bevis för vätedominerade atmosfärer på planeterna TRAPPIST-1d, e och f (b och c gjordes förra året) även om den vätedominerade atmosfären inte kan uteslutas för g. Än så länge, den insamlade informationen är fortfarande förenlig med, men kan inte bekräfta om planeterna har atmosfärer som liknar Venus, eller jorden. Denna identifiering kommer att utföras genom nya observationer.

"Hubble gör det preliminära spaningsarbetet så att astronomer som använder Webb vet var de ska börja, " sa Nikole Lewis från Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore, Maryland, medledare för Hubble-studien. "Att eliminera ett möjligt scenario för sammansättningen av dessa atmosfärer gör det möjligt för Webb-teleskopastronomerna att planera sina observationsprogram för att leta efter andra möjliga scenarier för sammansättningen av dessa atmosfärer."

Vad är TRAPPIST-1?

TRAPPIST-1 är uppkallad efter Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) i Chile, som upptäckte två av de sju planeter vi känner till idag – tillkännagav 2016. NASA:s Spitzer Space Telescope, i samarbete med markbaserade teleskop, bekräftade dessa planeter och avslöjade de andra fem i systemet. Sedan dess, NASA:s rymdteleskop Kepler observerade också TRAPPIST-1-systemet, och Spitzer samlade in ytterligare data. Denna nya mängd data hjälpte teamet att måla upp en tydligare bild av systemet än någonsin tidigare – även om det fortfarande finns mycket mer att lära sig om TRAPPIST-1.

TRAPPIST-1-planeterna kryper så nära varandra att en person som står på ytan av en av dessa världar skulle ha en spektakulär utsikt över de närliggande planeterna på himlen, som ibland skulle verka större än vad månen ser ut för en observatör på jorden. De kan också vara tidvattenlåsta, vilket betyder att samma sida av planeten alltid är vänd mot stjärnan, och varje sida är i evig dag eller natt. Även om planeterna alla är närmare sin stjärna än Merkurius är solen, TRAPPIST-1 är en så cool stjärna att dess planeter är tempererade.

Hur kan dessa planeter se ut?

Det är omöjligt att veta exakt hur varje planet ser ut, eftersom de är så långt borta. I vårt eget solsystem, Månen och Mars har nästan samma densitet, ändå ser deras ytor helt olika ut.

Baserat på tillgängliga data, här är forskarnas bästa gissningar om planeternas utseende:

TRAPPIST-1b, den innersta planeten, sannolikt har en stenig kärna, omgiven av en mycket tjockare atmosfär än jordens. TRAPPIST-1c har sannolikt också en stenig interiör, men med en tunnare atmosfär än planet b. TRAPPIST-1d, under tiden, är den lättaste av planeterna — cirka 30 procent av jordens massa. Forskare är osäkra på om det har en stor atmosfär, ett hav eller ett islager — alla tre av dessa skulle ge planeten ett "hölje" av flyktiga ämnen som skulle vara vettigt för en planet med dess täthet.

Forskare var förvånade över att TRAPPIST-1e är den enda planeten i systemet något tätare än jorden, vilket tyder på att den kan ha en tätare järnkärna än vår hemplanet. Som TRAPPIST-1c, det behöver inte nödvändigtvis ha en tjock atmosfär, hav eller islager – vilket gör dessa två planeter åtskilda i systemet. Det är mystiskt varför TRAPPIST-1e är så mycket stenigare i sin sammansättning än resten av planeterna. När det gäller storlek, densitet och mängden strålning den får från sin stjärna, detta är den planet som liknar jorden mest.

TRAPPIST-1f, g och h är tillräckligt långt från värdstjärnan för att vatten skulle kunna frysas som is över dessa ytor. Om de har tunn atmosfär, de skulle sannolikt inte innehålla jordens tunga molekyler som koldioxid.

Hur vet vi?

Forskare kan beräkna densiteten på planeterna eftersom de råkar vara uppradade så att när de passerar framför sin stjärna, våra jord- och rymdbaserade teleskop upptäcker en dämpning av dess ljus. Detta kallas transit. Mängden med vilken stjärnljuset dämpas är relaterat till planetens radie.

För att få densiteten, forskare drar fördel av vad som kallas "transittidsvariationer".

Om det inte fanns några andra gravitationskrafter på en planet i transit, den skulle alltid korsa framför sin värdstjärna på samma tid – till exempel, Jorden kretsar runt solen var 365:e dag, vilket är hur vi definierar ett år. Men eftersom TRAPPIST-1-planeterna är packade så nära varandra, de ändrar tidpunkten för varandras "år" aldrig så lite. Dessa variationer i omloppstid används för att uppskatta planeternas massor. Sedan, massa och radie används för att beräkna densitet.

Nästa steg

Nästa steg i att utforska TRAPPIST-1 kommer att vara NASAs James Webb rymdteleskop, som kommer att kunna fördjupa sig i frågan om dessa planeter har atmosfärer och, om så är fallet, hur dessa atmosfärer är, och om de tillåter adekvata ytförhållanden för att tillåta flytande vatten.