In februari 2017 was de wereld verbaasd te horen dat astronomen - met behulp van gegevens van de TRAPPIST-telescoop in Chili en de Spitzer-ruimtetelescoop - een systeem van zeven rotsachtige exoplaneten in het TRAPPIST-1-systeem hadden geïdentificeerd. Alsof dit niet bemoedigend genoeg was voor liefhebbers van exoplaneten, werd er ook aangegeven dat drie van de zeven planeten in een baan rond de sterren in de circumstellaire bewoonbare zone (ook bekend als 'Goldilocks Zone') draaiden.
Sinds die tijd is dit systeem het middelpunt geweest van veel onderzoek en vervolgonderzoeken om te bepalen of een van zijn planeten al dan niet bewoonbaar zou kunnen zijn. Intrinsiek aan deze onderzoeken was de vraag of de planeten al dan niet vloeibaar water op hun oppervlak hebben. Maar volgens een nieuwe studie van een team van Amerikaanse astronomen hebben de TRAPPIST-planeten mogelijk te veel water om het leven te ondersteunen.
De studie, getiteld "Inward Migration of the TRAPPIST-1 Planets as Afleiding van hun waterrijke composities", verscheen onlangs in het tijdschrift Natuurastronomie. De studie werd geleid door Cayman T. Unterborn, een geoloog bij de School of Earth and Space Exploration (SESE), en omvatte Steven J. Desch, Alejandro Lorenzo (ook van de SESE) en Natalie R. Hinkel - een astrofysicus van de Vanderbilt University , Nashville.
Zoals opgemerkt, zijn er meerdere onderzoeken uitgevoerd om te bepalen of een van de TRAPPIST-1-planeten bewoonbaar zou kunnen zijn. En hoewel sommigen hebben benadrukt dat ze hun atmosfeer niet lang zouden kunnen vasthouden vanwege het feit dat ze rond een ster draaien die variabel is en vatbaar is voor overstraling (zoals alle rode dwergen), hebben andere studies bewijs gevonden dat het systeem zou kunnen rijk zijn aan water en ideaal voor levensruil.
Omwille van hun studie gebruikte het team gegevens uit eerdere onderzoeken die probeerden beperkingen op te leggen aan de massa en diameter van de TRAPPIST-1-planeten om hun dichtheden te berekenen. Veel hiervan kwam van een dataset genaamd de Hypatia Catalog (ontwikkeld door de bijdragende auteur Hinkel), die gegevens uit meer dan 150 literaire bronnen samenvoegt om de stellaire overvloed van sterren in de buurt van onze zon te bepalen.
Met behulp van deze gegevens construeerde het team massastraal-compositie modellen om de vluchtige inhoud van elk van de TRAPPIST-1 planeten te bepalen. Wat ze opmerkten, is dat de TRAPPIST-planeten traditioneel licht zijn voor rotsachtige lichamen, wat wijst op een hoog gehalte aan vluchtige elementen (zoals water). Op vergelijkbare werelden met een lage dichtheid wordt gewoonlijk aangenomen dat de vluchtige component de vorm aanneemt van atmosferische gassen.
Maar zoals Unterborn uitlegde in een recent SESE-nieuwsartikel, zijn de TRAPPIST-1-planeten een andere zaak:
'[D] e TRAPPIST-1 planeten zijn te klein in massa om genoeg gas vast te houden om het dichtheidstekort te compenseren. Zelfs als ze het gas zouden kunnen vasthouden, zou de hoeveelheid die nodig is om het dichtheidstekort te compenseren, de planeet veel puffer maken dan we zien. '
Daarom bepaalden Unterborn en zijn collega's dat de component met lage dichtheid in dit planetaire systeem water moest zijn. Om te bepalen hoeveel water er was, gebruikte het team een uniek softwarepakket dat bekend stond als ExoPlex. Deze software maakt gebruik van de allernieuwste rekenmachines voor minerale fysica waarmee het team alle beschikbare informatie over het TRAPPIST-1-systeem kon combineren - niet alleen de massa en straal van individuele planeten.
Wat ze ontdekten was dat de binnenplaneten (b en c) waren "droger" - met minder dan 15% water massa - terwijl de buitenste planeten (f en g) meer dan 50 massaprocent water bevatten. Ter vergelijking: de aarde heeft slechts 0,02% water in massa, wat betekent dat deze werelden het equivalent hebben van honderden oceanen ter grootte van de aarde in hun volume. Dit betekent in feite dat de TRAPPIST-1-planeten mogelijk te veel water hebben om het leven te ondersteunen. Zoals Hinkel uitlegde:
“We denken doorgaans dat het hebben van vloeibaar water op een planeet een manier is om het leven te starten, aangezien het leven, zoals we dat op aarde kennen, voornamelijk uit water bestaat en het vereist dat het leeft. Echter, een planeet die een waterwereld is, of een die geen oppervlak boven het water heeft, heeft niet de belangrijke geochemische of elementaire cycli die absoluut noodzakelijk zijn voor het leven. "
Deze bevindingen voorspellen niet veel goeds voor degenen die geloven dat M-type sterren de meest waarschijnlijke plaats zijn voor bewoonbare planeten in ons sterrenstelsel. Niet alleen zijn rode dwergen het meest voorkomende type ster in het heelal, alleen al goed voor 75% van de sterren in het Melkwegstelsel, van verschillende sterren die relatief dicht bij ons zonnestelsel liggen, is gebleken dat ze een of meer rotsachtige planeten hebben.
Afgezien van TRAPPIST-1, omvatten deze de super-aardes ontdekt rond LHS 1140 en GJ 625, de drie rotsachtige planeten ontdekt rond Gliese 667 en Proxima b - de dichtstbijzijnde exoplaneet bij ons zonnestelsel. Bovendien bleek uit een enquête die in 2012 werd uitgevoerd met de HARPS-spectrograaf bij de ESO-sterrenwacht op La Silla, dat er miljarden rotsachtige planeten zouden kunnen zijn die in een baan rond de bewoonbare zones van rode dwergsterren in de Melkweg cirkelen.
Helaas geven deze laatste bevindingen aan dat de planeten van het TRAPPIST-1-systeem niet levenslang gunstig zijn. Bovendien zou er waarschijnlijk niet genoeg leven zijn om biosignaturen te produceren die in hun atmosfeer waarneembaar zouden zijn. Daarnaast concludeerde het team ook dat de TRAPPIST-1-planeten vader van hun ster moeten hebben gevormd en na verloop van tijd naar binnen zouden zijn gemigreerd.
Dit was gebaseerd op het feit dat de ijsrijke TRAPPIST-1-planeten veel dichter bij de respectievelijke 'ijslijn' van hun ster lagen dan de drogere. In elk zonnestelsel zullen planeten binnen deze lijn rotsachtiger zijn omdat hun water zal verdampen of zal condenseren om oceanen op hun oppervlakken te vormen (als er voldoende atmosfeer aanwezig is). Buiten deze lijn zal water de vorm van ijs aannemen en kan het worden geaccreteerd om planeten te vormen.
Uit hun analyses heeft het team vastgesteld dat de TRAPPIST-1-planeten zich voorbij de ijslijn moeten hebben gevormd en naar hun gastster zijn gemigreerd om hun huidige banen aan te nemen. Maar omdat bekend is dat sterren van het M-type (rode dwerg) na de eerste vorm het helderst zijn en na verloop van tijd dimmen, zou de ijslijn ook naar binnen zijn bewogen. Zoals co-auteur Steven Desch uitlegde, hoe ver de planeten zouden migreren, zou daarom afhangen van wanneer ze zich hadden gevormd.
'Hoe eerder de planeten zich vormden, hoe verder weg van de ster die ze moesten hebben gevormd om zoveel ijs te hebben', zei hij. Op basis van hoe lang het duurt voordat rotsachtige planeten zich vormen, schatte het team dat de planeten oorspronkelijk twee keer zo ver van hun ster verwijderd moesten zijn als nu. Hoewel er andere aanwijzingen zijn dat de planeten in dit systeem in de loop van de tijd zijn gemigreerd, is deze studie de eerste die de migratie kwantificeert en compositiegegevens gebruikt om deze te tonen.
Deze studie is niet de eerste die aangeeft dat planeten in een baan om rode dwergsterren in feite 'waterwerelden' kunnen zijn, wat zou betekenen dat rotsachtige planeten met continenten op hun oppervlak relatief zeldzaam zijn. Tegelijkertijd zijn er andere onderzoeken uitgevoerd die aangeven dat het waarschijnlijk is dat dergelijke planeten het moeilijk zullen hebben om hun atmosfeer vast te houden, wat aangeeft dat ze niet lang waterwerelden zouden blijven.
Echter, totdat we deze planeten beter kunnen bekijken - wat mogelijk zal zijn met de inzet van instrumenten van de volgende generatie (zoals de James Webb Space Telescope) - we zullen moeten theoretiseren over wat we niet weten op basis van wat we doen. Door langzaam meer te leren over deze en andere exoplaneten, zal ons vermogen om te bepalen waar we naar leven buiten ons zonnestelsel moeten zoeken, worden verfijnd.
