Взяв за основу систему TRAPPIST-1, ученые смоделировали, как атмосферы планет околоземной массы могут сосуществовать с излучением подобных звезд. Оказалось, с очень большими проблемами.
Чтобы на поверхности планеты была жидкая вода, у нее должна держаться достаточно плотная атмосфера. К счастью, астрономы могут искать и изучать атмосферы по изменениям излучения звезды, когда экзопланета пролетает на ее фоне. Вот только планет много, а для сбора подходящих данных требуются продолжительные наблюдения. Одна из таких целей для наблюдений — система TRAPPIST-1 с семью каменистыми планетами, четыре из которых сравнимы по массе с Землей и находятся в «обитаемой» зоне.
Авторы нового исследования, препринт которого выложен на arXiv, решили проверить, есть ли на этих планетах атмосферы, смоделировав условия системы. Чтобы иметь возможность масштабировать результаты работы на другие потенциально обитаемые миры, они не стали строго придерживаться параметров конкретных планет системы TRAPPIST-1. Так ученые проигнорировали оценки плотности, рассчитав радиусы смоделированных планет по массе (0,8, 1 и 1,2 массы Земли), исходя из плотности нашей планеты (5,5 грамма на кубический сантиметр).
Целью исследователей было посмотреть, как атмосферы таких планет выдерживают воздействие маломассивной звезды спектрального класса М — вроде той, что находится в центре TRAPPIST-1. Для этого они применили модель верхней атмосферы под названием Kompot Code, которая описывает одномерную термохимическую структуру «поверхности» атмосферы на границе с космосом.
В использованную модель заложено более 500 реакций 63 химических элементов. Она учитывает воздействие различных механизмов нагрева и охлаждения. В частности, рентгеновского и инфракрасного излучений, а также охлаждающего эффекта от углекислого газа в верхних слоях атмосферы.
Сопоставив смоделированные данные с параметрами TRAPPIST-1, ученые пришли к выводу, что большинство планет этой системы не могли сохранить свои атмосферы, независимо от их состава. Под излучением звезды верхние слои атмосферы должны были нагреться настолько, что молекулы начали вылетать из поля тяготения планеты.
С учетом возраста системы (по одной из оценок, примерно 7,6 миллиарда лет), даже если бы там была атмосфера в 100 раз массивнее земной, она бы вся уже рассеялась. По предположению авторов, аналогичная история должна быть у всех планет земного типа, находящихся рядом со звездами спектрального класса М.
Результаты моделирования подтверждают итоги наблюдений. Ни на одной из планет системы не обнаружили признаков наличия водородной атмосферы. По данным телескопа «Джеймс Уэбб», на планетах TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1с нет плотных атмосфер. Согласно другой работе, в атмосфере TRAPPIST-1c не доминируют ни СO2, ни O2.
Хотя авторы новой работы заявили, что ни на одной из планет TRAPPIST-1 не могла сохраниться атмосфера, отметим, что плотность этих планет говорит об обратном. У всех них плотность ниже плотности Земли и Венеры, притом что масса многих сопоставима с земной. Сложно представить, как это возможно без наличия атмосферы из легких элементов. Остается дожидаться данных новых наблюдений за этими объектами.
