En konstnärs intryck av den eviga soluppgången som kan möta besökare på ytan av planeten TRAPPIST-1f. Om planeten är tidvattenlåst, "terminatorregionen" som delar upp nattsidan och dagsidan av planeten kan vara en plats där livet kan få fäste, även om dagsidan bombarderas av energiska protoner. På den här bilden, TRAPPIST-1e kan ses som en halvmåne i det övre vänstra hörnet av bilden, d är den mellersta halvmånen, och c är en ljus prick bredvid stjärnan. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Sedan upptäckten 2016, planetforskare har varit entusiastiska över TRAPPIST-1, ett system där sju steniga planeter i jordstorlek kretsar kring en cool stjärna. Tre av planeterna är i den beboeliga zonen, det område i rymden där flytande vatten kan flöda på planeternas ytor. Men två nya studier av forskare vid University of Arizonas Lunar and Planetary Laboratory kan få astronomer att omdefiniera den beboeliga zonen för TRAPPIST-1.
De tre planeterna i den beboeliga zonen står sannolikt inför en formidabel motståndare till livet:högenergipartiklar som spys ut från stjärnan. För första gången, Federico Fraschetti och ett team av forskare från Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian har beräknat hur hårt dessa partiklar slår mot planeterna.
Under tiden, Hamish Hay, en doktorand i Lunar and Planatary Laboratory, har funnit att den gravitationella dragkampen som TRAPPIST-1-planeterna leker med varandra höjer tidvatten på deras ytor, möjligen driva vulkanisk aktivitet eller värma upp isisolerade hav på planeter som annars är för kalla för att försörja liv.
Både Fraschettis papper och Hays studie, "Tidvatten mellan TRAPPIST-1 planeter, " är nyligen publicerade i Astrofysisk tidskrift .
Punchy protoner
Systemets stjärna, TRAPPIST-1A, är mindre, mindre massiv och 6, 000 grader Fahrenheit svalare än våra 10, 000 graders sol. Den är också extremt aktiv, vilket betyder att det avger enorma mängder högenergiprotoner - samma partiklar som orsakar norrsken på jorden.
Fraschetti och hans team simulerade dessa högenergipartiklars resor genom stjärnans magnetfält. De fann att den fjärde planeten – den innersta av världarna i den beboeliga TRAPPIST-1-zonen – kan uppleva ett kraftfullt bombardemang av protoner.
"Flödet av dessa partiklar i TRAPPIST-1-systemet kan vara upp till 1 miljon gånger mer än partikelflödet på jorden, " sa Fraschetti.
Den relativa storleken på TRAPPIST-1-planeterna och deras banor. Hela TRAPPIST-1-systemet skulle kunna passa in i Merkurius omloppsbana, med gott om utrymme. Det röda bandet indikerar banorna där utrymmet är för varmt för att flytande vatten ska kunna samlas, det blå bandet indikerar var utrymmet är för kallt för att vatten ska vara flytande, och det gröna bandet indikerar den beboeliga zonen. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Detta kom som en överraskning för forskarna, även om planeterna är mycket närmare sin stjärna än jorden är solen. Högenergipartiklar transporteras genom rymden längs magnetfält, och TRAPPIST-1A:s magnetfält är tätt lindat runt stjärnan.
"Du förväntar dig att partiklarna skulle fångas i dessa tätt omslutna magnetfältlinjer, men om du introducerar turbulens, de kan fly, rör sig vinkelrätt mot det genomsnittliga stjärnfältet, " sa Fraschetti.
Flaskor på stjärnans yta orsakar turbulens i magnetfältet, låter protonerna segla bort från stjärnan. Vart partiklarna tar vägen beror på hur stjärnans magnetfält är vinklat bort från sin rotationsaxel. I TRAPPIST-1-systemet, den mest sannolika inriktningen av detta fält kommer att föra energiska protoner direkt till den fjärde planetens ansikte, där de skulle kunna bryta isär komplexa molekyler som behövs för att bygga liv – eller kanske de skulle kunna fungera som katalysatorer för skapandet av dessa molekyler.
Medan jordens magnetfält skyddar större delen av planeten från energiska protoner som emitteras av vår sol, ett fält som är tillräckligt starkt för att avleda TRAPPIST-1s protoner skulle behöva vara osannolikt starkt – hundratals gånger kraftfullare än jordens. Men detta betyder inte nödvändigtvis döden för livet i TRAPPIST-1-systemet.
TRAPPIST-1-planeterna är sannolikt tidvattenlåsta, för en sak, vilket betyder att samma halvklot på varje planet alltid är vänd mot stjärnan, medan evig natt omsluter den andra.
"Kanske är nattsidan fortfarande varm nog för livet, och den blir inte bombarderad av strålning, sa Benjamin Rackham, en forskarassistent vid UA Department of Astronomy som inte var involverad i någon av studien.
Hav kan också skydda mot destruktiva högenergiprotoner, eftersom djupt vatten kunde absorbera partiklarna innan de sliter isär livets byggstenar. Tidvatten som uppstår i dessa hav och till och med i klipporna på planeterna kan ha andra intressanta konsekvenser för livet.
Ett konstnärskoncept för en vy av TRAPPIST-1-systemet från nära TRAPPIST-1f. Systemet finns i stjärnbilden Vattumannen och är knappt 40 ljusår bort från jorden. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Dragande tidvatten
På jorden, månen höjer tidvatten inte bara i haven – tidvattenkrafter deformerar den sfäriska formen på jordens mantel och skorpa, också. I TRAPPIST-1-systemet, planeterna är tillräckligt nära varandra för att forskare antar att världarna kan höja tidvatten mot varandra, som månen gör mot jorden.
"När en planet eller måne deformeras av tidvatten, friktion inuti det kommer att skapa uppvärmning, sa Hay, huvudförfattare till den andra studien.
Genom att beräkna hur gravitationen av TRAPPIST-1s planeter skulle dra på och deformera varandra, Hay undersökte hur mycket värme tidvatten tillför systemet.
TRAPPIST-1 är det enda kända systemet där planeter kan höja betydande tidvatten på varandra eftersom världarna är så tätt packade runt sin stjärna.
"Det är en så unik process som ingen har tänkt på i detalj tidigare, och det är lite fantastiskt att det faktiskt är något som händer, " sa Hay. Förr i tiden, forskare hade bara övervägt tidvatten som höjts av stjärnan.
Hay fann att de två inre planeterna i systemet kommer tillräckligt nära varandra för att de höjer kraftfulla tidvatten på varandra. Det är möjligt att den efterföljande tidvattenuppvärmningen kan vara tillräckligt stark för att underblåsa vulkanisk aktivitet, vilket i sin tur kan upprätthålla atmosfärer. Även om TRAPPIST-1:s innersta planeter sannolikt är för varma på sin dagsida för att upprätthålla liv, en vulkan-driven atmosfär kan hjälpa till att flytta lite värme till deras annars för kalla nattsida, värmer det tillräckligt för att levande varelser inte ska frysa.
Den sjätte planeten i systemet, kallas TRAPPIST-1g, upplever tidvattendragningar från både stjärnan och de andra planeterna. Det är den enda planeten i systemet där tidvattenuppvärmningen på grund av de andra planeterna är lika stark som den som orsakas av den centrala stjärnan. Om TRAPPIST-1g är en havsvärld, som Europa eller Enceladus i vårt eget solsystem, tidvattenuppvärmning kan hålla vattnet varmt.
M-dvärgstjärnsystem som TRAPPIST-1 erbjuder astronomer den bästa möjligheten att söka efter liv utanför solsystemet, och Fraschetti och Hays studier kan hjälpa forskare att välja hur de ska utforska systemet i framtiden.
"Vi måste verkligen förstå lämpligheten av dessa system för livet, och energiska partikelflöden och tidvattenuppvärmning är viktiga faktorer för att begränsa vår förmåga att göra det, " sa Rackham.
