Under 2017, ett internationellt team av astronomer tillkännagav en betydelsefull upptäckt. Baserat på år av observationer, de fann att TRAPPIST-1-systemet (en röd dvärg av M-typ som ligger 40 ljusår från jorden) innehöll inte mindre än sju steniga planeter. Lika spännande var det faktum att tre av dessa planeter hittades inom stjärnans beboeliga zon (HZ), och att själva systemet har haft 8 miljarder år på sig att utveckla kemin för livet.

På samma gång, det faktum att dessa planeter kretsar tätt runt en röd dvärgstjärna har gett upphov till tvivel om att dessa tre planeter skulle kunna behålla en atmosfär eller flytande vatten väldigt länge. Enligt ny forskning från ett internationellt team av astronomer, allt beror på sammansättningen av skräpskivan som planeterna bildades av och huruvida det fanns kometer eller inte för att distribuera vatten efteråt.

Teamet som ansvarade för denna forskning leddes av Sebastian Marino från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) och inkluderade medlemmar från University of Cambridge, University of Warwick, universitetet i Birmingham, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och MPIA. Studien som beskriver deras resultat dök nyligen upp i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

När det gäller hur solsystemet kom till, astronomer är överens om att den bildades för över 4,6 miljarder år sedan från en gasnebulosa, damm och flyktiga ämnen (AKA the Nebular Hypothesis). Denna teori säger att dessa element först smälte samman i centrum, genomgår gravitationskollaps för att skapa solen. Över tid, resten av materialet bildade en skiva runt solen som så småningom samlades för att bilda planeterna.

Inom de yttre delarna av solsystemet, föremål som blev över från formationen slog sig ner i ett stort bälte som innehöll enorma mängder isteroider – även känt som Kuiperbältet. I enlighet med The Late Bombardment Theory, vatten distribuerades till jorden och i hela solsystemet av otaliga kometer och iskalla föremål som slogs ut ur detta bälte och skickade hinder inåt.

Om TRAPPIST-1-systemet har ett eget Kuiperbälte, då är det naturligt att en liknande process var inblandad. I detta fall, gravitationsstörningar skulle ha fått föremål att sparkas ut ur bältet som sedan färdades mot de sju planeterna för att avsätta vatten på deras ytor. I kombination med de rätta atmosfäriska förhållandena, de tre planeterna i stjärnans HZ kan ha varit tillräckliga mängder vatten på sina ytor.

Som Dr. Marino förklarade för Universe Today via e-post:"Närvaron av ett bälte indikerar att ett system har en stor reservoar av flyktiga ämnen och vatten. Denna reservoar är vanligtvis belägen längre ut i de kalla regionerna i ett system, dock, det finns olika processer som kan föra en bråkdel av det vattenrika materialet nära HZ-planeter och leverera deras innehåll. Att hitta ett bälte av kometer är en indikation på att reservoaren existerade från början."

Dock, Dr. Marino inkluderade också förbehållet att frånvaron av ett sådant bälte runt stjärnor idag inte är ett bevis på att ett system inte skulle ha tillräckligt med vatten för att försörja liv. Det är fullt möjligt att system som hade ett sådant bälte först tappade dem efter miljarder år av evolution på grund av dynamiska händelser. Det är också möjligt att de kan bli för svaga för att upptäckas eftersom bälten naturligt blir mindre massiva och ljusa med tiden.

För att söka efter ett tecken på ett exo-Kuiper-bälte runt TRAPPIST-1-systemet, teamet förlitade sig på data som samlats in av Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Denna array är känd för sin förmåga att upptäcka föremål som avger elektromagnetisk strålning mellan den infraröda och radiovåglängden med en hög grad av känslighet.

Detta gör att ALMA kan visualisera dammkorn och flyktiga ämnen (som kolmonoxid) som kännetecknar skräpbälten. Dessa är i allmänhet för svaga för att se i synligt ljus, men avger värmestrålning på grund av värmen de absorberar från sin respektive stjärna. Trots ALMAs känslighet, teamet hittade inga bevis på ett exo-Kuiperbälte runt TRAPPIST-1.

"Tyvärr, vi upptäckte inte detta runt TRAPPIST-1, men våra övre gränser tillät oss att utesluta att systemet från början hade ett massivt bälte av stora kometer på ett avstånd liknande Kuiperbältet, sade doktor Marino. Det är möjligt, fastän, att systemet verkligen bildades med ett sådant bälte, men det blev helt stört av en dynamisk instabilitet i systemet."

De drar vidare slutsatsen att TRAPPIST-1-systemet kunde ha fötts med en planetskiva som var mindre än 40 AU i radie och hade mindre än 20 jordmassor värda material. Dessutom, de teoretiserar att de flesta dammkornen i skivan sannolikt har transporterats inåt och använts för att bilda de sju planeterna som utgör planetsystemet.

Dr Marino och hans kollegor använde också sin modelleringskod för att undersöka ALMA-arkivdata om Proxima Centauri och dess system av exoplaneter, som inkluderar den steniga och potentiellt beboeliga Proxima b och den nyfunna superjorden Proxima c. Under 2017, ALMA-data användes för att bekräfta förekomsten av ett kalldamm- och skräpband där, vilket sågs som en möjlig indikation på att stjärnan hade fler exoplaneter.

Även här, deras resultat visade endast övre gränser för gas- och stoftutsläpp, vilket skulle antyda att Proxima Centauris unga skiva är ungefär en tiondel så massiv som den som bildade vårt solsystem. Som Dr. Marino förklarade, denna studie väcker flera frågor om stjärnsystem med låg massa:

"Om vi ​​hela tiden upptäckte att den här typen av system inte har massiva kometbälten, det kan betyda att allt material som användes för att bilda dessa kometer istället användes för att bilda och växa planeter närmare in. Det är mycket osäkert vad det betyder för sammansättningen av dessa planeter, eftersom det verkligen beror på var och hur dessa planeter bildades. Bara för att påpeka, denna typ av bälte finns runt ~20% av närliggande stjärnor som är som solen eller massiva/ljusare. Runt stjärnor med låg massa, det här har varit mycket mer utmanande, och vi känner bara till några få bälten runt M-stjärnor."

Detta kan bero på vissa fördomar som gör det lättare att upptäcka varmare bälten runt ljusare stjärnor än kalla bälten runt stjärnor av M-typ, Dr Marino tillägger. Det kan också vara resultatet av någon inneboende skillnad mellan arkitekturen hos planetsystem runt solliknande stjärnor (G-typ eller ljusare) och de som kretsar runt röda dvärgar.

Kortfattat, dessa resultat lämnar frågan om hur tidigt vatten transporterades genom stjärnsystem av M-typ ett mysterium. På samma gång, de har uppmuntrat Dr. Marino och hans kollegor att tillämpa sina tekniker på yngre och närmare stjärnsystem för att förfina sina modeller och öka sannolikheten för upptäckter.

Dessa ansträngningar kommer också att dra nytta av nya rymdbaserade och markbaserade teleskop som kommer att komma online under de kommande åren. "Vissa nästa generations teleskop förväntas vara känsligare, och därmed upptäcka dessa bälten om de verkligen finns där, men inte tillräckligt ljus för att upptäcka dem med de nuvarande teleskopen, " sa Dr. Marino.

Som med andra upptäckter, dessa resultat visar hur exoplanetstudier har gjort övergången från upptäcktsprocessen till karakteriseringsprocessen. Med förbättringar i instrumentering och metodik, vi börjar se hur olika och differentierade andra typer av stjärnsystem kan vara från våra egna.