Denna illustration visar tre möjliga interiörer av de sju steniga exoplaneterna i TRAPPIST-1-systemet, baserat på precisionsmätningar av planetens densiteter. Totalt sett har TRAPPIST-1-världarna anmärkningsvärt liknande tätheter, vilket tyder på att de kan dela samma förhållande av vanliga planetbildande element. Planetdensiteten är något lägre än jordens eller Venus, vilket kan innebära att de innehåller mindre järn (ett mycket tätt material), eller mer lågdensitetsmaterial, vatten eller syre. I den första modellen (till vänster), planetens inre är sammansatt av järn blandat med lättare element, såsom syre. Det finns ingen solid järnkärna, som är fallet med jorden och de andra steniga planeterna i vårt eget solsystem. Den andra modellen visar en övergripande sammansättning som liknar jorden, där de tätaste materialen har lagt sig till planetens centrum, bildar en järnrik kärna som är proportionellt mindre än jordens kärna. En variation visas i den tredje panelen där en större, tätare kärna kan balanseras av ett omfattande hav med låg densitet på planetens yta. Dock, detta scenario kan endast tillämpas på de fyra yttre planeterna i TRAPPIST-1-systemet. På de tre inre planeterna, alla hav skulle förångas på grund av de högre temperaturerna nära deras stjärna, och en annan sammansättningsmodell krävs. Eftersom alla sju planeterna har anmärkningsvärt lika densiteter, det är mer troligt att alla planeter delar en liknande bulksammansättning, gör detta fjärde scenario osannolikt, men inte uteslutet. Exoplaneternas mass- och diametermätningar med hög precision i TRAPPIST-1-systemet har gjort det möjligt för astronomer att beräkna de totala tätheterna för dessa världar med en aldrig tidigare skådad noggrannhet i exoplanetforskning. Densitetsmätningar är ett kritiskt första steg för att bestämma exoplaneternas sammansättning och struktur, men de måste tolkas genom linsen av vetenskapliga modeller av planetarisk struktur. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Den röda dvärgstjärnan TRAPPIST-1 är hem för den största gruppen av planeter i ungefär jordens storlek som någonsin hittats i ett enda stjärnsystem. Ligger cirka 40 ljusår bort, dessa sju steniga syskon ger ett exempel på den enorma variation av planetsystem som sannolikt fyller universum.
En ny studie publicerad idag i Planetary Science Journal visar att TRAPPIST-1-planeterna har anmärkningsvärt liknande tätheter. Det kan betyda att de alla innehåller ungefär samma förhållande av material som tros utgöra de flesta steniga planeter, som järn, syre, magnesium, och kisel. Men om så är fallet, det förhållandet måste vara avsevärt annorlunda än jordens:TRAPPIST-1-planeterna är ungefär 8 % mindre täta än de skulle vara om de hade samma smink som vår hemplanet. Baserat på den slutsatsen, tidningsförfattarna antog att några olika blandningar av ingredienser kunde ge TRAPPIST-1-planeterna den uppmätta densiteten.
Några av dessa planeter har varit kända sedan 2016, när forskare meddelade att de hade hittat tre planeter runt TRAPPIST-1-stjärnan med hjälp av Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) i Chile. Efterföljande observationer av NASA:s nu pensionerade Spitzer Space Telescope, i samarbete med markbaserade teleskop, bekräftade två av de ursprungliga planeterna och upptäckte ytterligare fem. Hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, Spitzer observerade systemet i över 1, 000 timmar innan de avvecklades i januari 2020. NASA:s Hubble och nu pensionerade rymdteleskop Kepler har också studerat systemet.
Alla sju TRAPPIST-1 planeter, som är så nära sin stjärna att de skulle passa inom Merkurius omloppsbana, hittades via transitmetoden:Forskare kan inte se planeterna direkt (de är för små och svaga i förhållande till stjärnan), så de letar efter fall i stjärnans ljusstyrka som skapas när planeterna korsar sig framför den.
Denna graf visar uppmätta egenskaper hos de sju TRAPPIST-1 exoplaneterna (märkta b till h), visar hur de staplar upp till varandra såväl som till jorden och de andra inre steniga världarna i vårt eget solsystem. Planeternas relativa storlek indikeras av cirklarna. Alla de kända TRAPPIST-1-planeterna är större än Mars, med 5 av dem inom 15 % av jordens diameter. Motsvarande "boeliga zoner" av de två planetsystemen, regioner där en jordliknande planet potentiellt skulle kunna stödja flytande vatten på sin yta, anges nära toppen av tomten. Förskjutningen mellan de två zonerna beror på att den kallare TRAPPIST-1-stjärnan sänder ut mer av sitt ljus i form av infraröd strålning som absorberas mer effektivt av en jordliknande atmosfär. Eftersom det krävs mindre belysning för att nå samma temperaturer, den beboeliga zonen skiftar längre bort från stjärnan. Massorna och tätheterna för TRAPPIST-1-planeterna bestämdes genom noggranna mätningar av små variationer i tidpunkterna för deras banor med hjälp av omfattande observationer gjorda av NASAs Spitzer- och Kepler-rymdteleskop, i kombination med data från Hubble och ett antal markbaserade teleskop. Den senaste analysen, som inkluderar Spitzers kompletta rekord på över 1, 000 timmars TRAPPIST-1-observationer, har minskat osäkerheterna i massmätningarna till bara 2-3%. Dessa är de överlägset mest exakta mätningarna av planetmassor någonstans utanför vårt solsystem. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Upprepade observationer av stjärnljuset i kombination med mätningar av tidpunkten för planeternas banor gjorde det möjligt för astronomer att uppskatta planeternas massor och diametrar, som i sin tur användes för att beräkna deras densiteter. Tidigare beräkningar visade att planeterna är ungefär lika stora som jordens massa och därför måste vara steniga, eller terrestra – i motsats till gasdominerade, som Jupiter och Saturnus. Det nya papperet erbjuder de mest exakta densitetsmätningarna hittills för någon grupp av exoplaneter - planeter bortom vårt solsystem.
Iron's Reign
Ju mer exakt forskarna känner till en planets densitet, desto fler gränser kan de sätta på dess sammansättning. Tänk på att en pappersvikt kan vara ungefär lika stor som en baseboll men är vanligtvis mycket tyngre. Tillsammans, bredd och vikt avslöjar varje objekts densitet, och därifrån är det möjligt att dra slutsatsen att basebollen är gjord av något lättare (snöre och läder) och pappersvikten är gjord av något tyngre (vanligtvis glas eller metall).
Densiteten för de åtta planeterna i vårt eget solsystem varierar kraftigt. Den pösiga, gasdominerade jättar – Jupiter, Saturnus, Uranus, och Neptunus – är större men mycket mindre täta än de fyra jordiska världarna eftersom de mestadels består av lättare grundämnen som väte och helium. Till och med de fyra jordiska världarna visar en viss variation i sin täthet, som bestäms av både en planets sammansättning och kompression på grund av själva planetens gravitation. Genom att subtrahera effekten av gravitationen, forskare kan beräkna vad som kallas en planets okomprimerade densitet och potentiellt lära sig mer om en planets sammansättning.
De sju TRAPPIST-1-planeterna har liknande densiteter – värdena skiljer sig inte med mer än 3 %. Detta gör systemet helt annorlunda än vårt eget. Skillnaden i densitet mellan TRAPPIST-1-planeterna och jorden och Venus kan tyckas liten – cirka 8 % – men den är signifikant på planetarisk skala. Till exempel, ett sätt att förklara varför TRAPPIST-1-planeterna är mindre täta är att de har en liknande sammansättning som jorden, men med en lägre andel järn — cirka 21 % jämfört med jordens 32 %, enligt studien.
Alternativt järnet i TRAPPIST-1-planeterna kan infunderas med höga nivåer av syre, bildar järnoxid, eller rost. Det extra syret skulle minska planeternas densitet. Mars yta får sin röda nyans från järnoxid, men som sina tre jordiska syskon, den har en kärna som består av icke-oxiderat järn. Däremot om TRAPPIST-1-planeternas lägre densitet helt och hållet orsakades av oxiderat järn, planeterna skulle behöva vara rostiga genomgående och kunde inte ha solida järnkärnor.
Eric Agol, en astrofysiker vid University of Washington och huvudförfattare till den nya studien, sa att svaret kan vara en kombination av de två scenarierna - mindre järn totalt och lite oxiderat järn.
Teamet undersökte också om varje planets yta kunde täckas med vatten, som är ännu lättare än rost och som skulle förändra planetens totala densitet. Om så vore fallet, vatten skulle behöva stå för cirka 5 % av den totala massan av de fyra yttre planeterna. Som jämförelse, vatten utgör mindre än en tiondel av 1% av jordens totala massa.
Eftersom de är placerade för nära sin stjärna för att vatten ska förbli en vätska under de flesta omständigheter, de tre inre TRAPPIST-1-planeterna skulle behöva heta, täta atmosfärer som Venus, så att vatten kunde förbli bundet till planeten som ånga. Men Agol säger att den här förklaringen verkar mindre trolig eftersom det skulle vara en slump för alla sju planeterna att ha precis tillräckligt med vatten för att ha sådana liknande tätheter.
"Natthimlen är full av planeter, och det är bara under de senaste 30 åren som vi har kunnat börja reda ut deras mysterier, sa Caroline Dorn, en astrofysiker vid universitetet i Zürich och medförfattare till tidningen. "TRAPPIST-1-systemet är fascinerande eftersom vi runt denna stjärna kan lära oss om mångfalden av steniga planeter inom ett enda system. Och vi kan faktiskt lära oss mer om en planet genom att studera dess grannar också, så det här systemet är perfekt för det."
